Күн энергиясын тиімді пайдалану үшін, күн батереялар құрастыру

 

 

 

 

 

     Реферат

Тақырыбы:  Күн энергиясын тиімді пайдалану үшін, күн батереялар құрастыру

Орындаған: Тәжібаева М. Т

Оқытушы:   Таширова М.

Пәні:   Физика

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мазмұны:

 

Кіріспе………………………………………………………………………………

2. Күн сәулесі – болашақтың сарқылмас энергиясы және оны  тиімді пайдалану жолдары...................................................................................................

3.Күн батареялар құрастыру және  оның қолдану аймағы .……………...…........

4.Қорытынды……………………………………………………………………….

5. Қолданылған әдебиеттер тізімі............................................................................

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кіріспе

Күн энергиясы әлемдегі негізгі балама көздерінің бірі болып табылады. Келешекте балама энергия көздерімен жабдықталған немесе салынып қойылған ғимараттарда «күн» энергиясына арналған құрылғыларды орнатудың маңызы зор. Ал сіз бұрын-соңды қарапайым тұрмыстық техниканы қолдану үшін энергияның қалай және қайдан келгенін ойланып көрдіңіз бе?! Электр энергиясы розеткаға жетуі үшін ең алдымен көмір немесе мұнай өндіру қажет, оларды электр станциясына жеткізіп оны оттекті ауада жағу қажет, одан бу алғаннан кейін ол бу трубалары арқылы электр генераторларына барады, сосын  трансформатор арқылы тұрмыстық ток қуатын 220 В, жиілігін 50 Гц түсіріп үйлерге кабельдер мен сымдар арқылы бағыттап, электр есептегіші арқылы өткізіп, содан кейін ғана розеткалар мен сөндіргіштерге енгізеді. Осы ұзақ жолда элекр станциясында өндірілген энергияның жартысы жойылып, өз кезегінде жанармайдың жартысы бекер жоғалады. Қорытындысында, тұтынушыға жанармайдың 20 – 25 % энергиясы жетіп, қалған 75 – 80 %-ы ауада жылып, ғаламдық жылынудың жылдамдай түсуіне әсер етеді.

Сол себепті соңғы онжылдықтардан бері әлем халқы балама энергия көздерін пайдалану турасында түрлі зерттеулер жүргізіп, біршама жаңалықтар ашты.

Ал Қазақстан күн энергетикасының негізгі бағыттары бойынша жұмыс жасап жатыр, бірақ әлі де әлемдік деңгейге жете қойған жоқ. Осы кезге дейін жартылай өткізгіштерді алу және тазалау, фотоэлементтер,  аккумуляторлар өндіру, күн станцияларын салу, тұзды суларды тұщыландыру, гелий энергиясын тұрғын үйде қолдану туралы 300-дей ғана ғылыми жоба жинақталған. Германия ең нашар жағдайда (күн белсенділігінің ең төменгі деңгейі) болғанына қарамастан 2015 жылы күн энергиясын қолдану деңгейі 30%-ға жетпек. Ал Қазақстан аумағында күн радиациясының мүмкіндігі айтарлықтай жоғары және жылына 1300-1800 кВт.сағ/м2 құрайды. Қазақстан территориясы «күн белдеуінде» орналасқандықтан еліміздің күн энергиясын  қолдану саласында үлкен жетістіктерге жету мүмкіндігі зор.

Энергия тұтыну адамзат тіршілігінің міндетті шарты болып табылады. Сондықтан адамдар ертеден күн энергиясын тиімді пайдалану жолдарын қарастырды. 1839 жылы Александр Эдмон Беккерель фотогальваникалық әсерді ашты. 44 жылдан соң Чарльз Фриттс күн энергиясын қолданатын алғашқы құрылғыны құрастырды. 1883 жыл күн энергетикасы дәуірінің туған жылы болып есептеледі.

Қазiргi заманғы қоғамда мемлекеттердiң индустриялық дамуының деңгейi олардың ресурстық мүмкiндiктерiмен және технологиялық қайта өңдеудiң төменгi деңгейлi өнiм өндiру мөлшерiмен ғана емес, технологиялық тұрғыдан ғылымды қажетсiнетiн, озық салалардың даму дәрежесiмен де анықталады.

90-жылдардың басынан  бастап энергетикалық және экологиялық  проблемалардың өсуiне байланысты  экономикалық жағынан дамыған  мемлекеттердiң үкiметтерi күн энергетикасын  дамытуға елеулi қаржы сала бастады.

Күн энергия қорлары

Көптеген сарапшылар 2010 — 2020 жылдары көмiрсутегi шикiзатын ұсынудың төмендеуi байқалатынын болжайды. Осының салдарынан 2025 жылға қарай әлемдiк энергетикалық теңгерiмдегi энергияның жаңғыртылатын көздерiнiң үлесi қазiргi 5%-дан 10%-ға дейiн, ал 2050 жылға қарай 50%-ға дейiн өседi, 2010 жылға қарай ЕО елдерiнде бұл үлес 12%-ға дейiн (2000 жылғы 6%-ға қарағанда), ал жалпы электр энергиясы өндiрiсiнде 22%-ға дейiн ұлғаяды.       Қазiргi заманғы күн фотоэнергетикасы қуаттылығы соңғы жылдары бұрын-соңды болмаған жылдамдықпен жылына 30-40%-ға өсiп отырған гетероқұрылымдар негiзiнде кремний фотоэлементтерiне негiзделедi. Әлемде жалпы алғанда күн фотоэнергетикасының қондырғылары қазiр жылына бiр гигаватт энергия өндiредi. 2003 жылға қарай болжанып отырғандай, бұл сан 200 гигаватқа дейiн өседi.

Жер бетіне қуатты үш энергия ағыны бағытталған: 
— күн сәулесі энергиясы, тәуліктік қуатты 174000 ТВт; 
— жер астынан үстіне қарай бағытталған жылу энергиясы, тәуліктік қуатты 32 ТВт; 
— теңіз тасқыны энергиясы, тәуліктік қуатты 3 ТВт.

Күн сәулесі энергиясының 30 % — і Жердің жоғарғы атмосфералық қабатынан шағылысып, ғарыш кеңістігіне тарайды. Ал оның 70 % — і жер асты жылуы мен теңіз тасқыны энергияларының қуатынан шамамен 3500 есе артық. Бұл өте көп энергия. Күннің жерге түсетін мол энергиясының бір бөлігі атмосфераға, мұхит пен құрлықтарға сіңеді. Температура төмендеген уақытта осы бөлігі жылу энергиясына айналады. Екінші бөлігі сулардың булануына және олардың айналып, қайта түсуіне шығындалады. Үшінші бөлігі теңіз және атмосфералық ағындарды туғызады. Ал төртінші – бір кішкене ғана бөлігін өсімдіктер бойына сіңіреді. Сөйтіп, жер бетінде ғажайып фотосинтез реакциясы жүреді

Күн үлкен энергия қорына ие,жылына жер бетіне түсетін күн энергиясы 7,5*1017 кВт/сағ. Күн энергиясының маңызды артықшылықтарының бірі қоршаған ортаға қауіпсіздігі және арнайы жеткізу құралдарының қажет еместігі болып табылады.

Сонымен қатар оның кемшіліктері де бар, күн энергиясын алудың тұрақсыздығы. Күн жүйелері түнде жұмыстамайды, ал кешке және таңертең станция тиімділігі бірнеше есеге төмендейді.

Күн батареялары – күн энергиясын тікелей электр энергиясына айналдыратын жартылай өткізгіш құрылғы. Қазіргі уақытта көбінесе фотоэлектрлік түрлендіргіш кеңінен қолданылады. Фотоэлектрлік түрлендіргіште энергияның бір түрден екінші түрге ауысуы біртекті емес жартылай өткізгіш құрылғыларда күн сәулесінің әсерінен пайда болатын фотовольттық әсерге негізделген. Түрлендірудің тиімділігі жартылай өткізгіш элементтің электрофизикалық сипаттамасына, түрлендіргіштің оптикалық қасиеттеріне байланысты. Күн батареясы, фотоэлектрлік генератор — Күн сәулесінің энергиясын электр энергиясына айналдыратын шала өткізгішті фотоэлектрлік түрлендіргіштен (ФЭТ) тұратын ток көзі. Көптеген тізбектей-параллель қосылған ФЭТ-тер Күн батареясын қажетті кернеу және ток күшімен қамтамасыз етеді. Жеке ФЭТ-тің электр қозғаушы күші 0.5 — 0.55 В және ол оның ауданына тәуелді емес; 1 см2 ауданға келетін қысқа түйықталу тогының шамасы 35 — 40 мА. Күн батареясындағы ток шамасы оның жарықтану жағдайына байланысты, күн сәулелері Күн батареясы бетіне перпендикуляр түскенде ол ең үлкен мәніне (максимумына) жетеді. Қазіргі Күн батареясының ПӘК 8-10%, олай болса 1 м2 ауданға (ғарыш аппаратының Күннен қашықтығы 150 млн. болған кезде) келетін қуат ~130 Вт-қа тең. Температура жоғарылаған сайын (25oС-ден жоғары) ФЭТ-тегі кернеудің төмендеуіне байланысты Күн батареясының ПӘК кемиді. Күн батареясының жиынтық қуаты ондаған тіпті жүздеген кВт-қа жетеді. Күн батареясы ғарыш кемелері мен аппараттарында энергиямен жабдықтау жүйесіндегі негізгі электр энергиясының көзі ретінде қолданылады. Күн батареясы сондай-ақ, тұрмыс пен техникада қолданылатын көптеген бұйымдарды (калькулятор, қол сағаты, т.б.) токпен қоректендіру көзі болып табылады.

Күн батареяларында шикізат ретінде кремний қолданылады.Күн кремнийiнiң жоғары құны фотоэнергтиканың дамуын тежейтiн фактор болып табылатындықтан, әр түрлi елдердiң ғалымдары оның құнын төмендететiн кремнийдi алудың жаңа технологияларын әзiрлеуде. Алайда, күн кремнийiне сұраныс өте жылдам өседi және ұсыныстардан озық жүредi. Күн электр стансасы – эколо-гиялық тұрғыда таза, дыбыссыз, қауіпсіз әрі пайдалануға ыңғайлы, оның үстіне өз құнын 100 па-йыз ақтайтын тиімді қондырғы. Жұмыс істеу мерзімі шамамен 30 жыл. Осы 30 жыл ішінде жасалуына небәрі 1 кг күн кремнийі жұмсалған элемент Жылу электр стансасында мұнайдың 100 тоннасынан немесе Атом электр стансасында 1 кг байытылған ураннан өндірілетін соншалықты электр қуатын бере алады. Энергияны фотоэлектрлі өзгерткіштердің жұмысы күн қуатын электр қуатына айналдыруға негізделген. Қазақстан үшін Халықаралық Энергетиктер Қауымдастығы ұсынған формула бойынша, алдын ала жасалған есептеулерге сәйкес шағын күн электр стансасын орнату нәтижесінде СО2 шығарындылары жылына 750 кг-ға азаятын болады. Қазiргi уақытта 2300 тонна ұсынған кезде сұраныс жылына 5-6 тоннаға жетедi, сондықтан күн кремнийiн емес, неғұрлым жоғары жартылай өткiзгiштiк сапасындағы кремнийдi пайдалану арқылы тапшылық жабылады.Осыған дейін күн батареялары «Үстірт» (Ақтау) және «Ақжайық» (Атырау) мемлекеттік табиғи қорықтарында орнатылған болатын. Аталмыш күн батареялары мемлекеттік инспекторлардың жұмыс тиімділігін арттыруға, жекелеген учаскелердің өзара байланысы үшін оларды тұрақты қысқа толқынды байланыспен (рация-мен) қамтамасыз етуге, сонымен қатар қорықта мекен ететін түз тағысына әрі ұшып өтетін құстарға электр кернеуінен болатын әсерін төмендетуге мүмкіндік береді.

Қазақстанның бай минералдық-шикiзат базасының, дамыған металлургиялық және химиялық өнеркәсiбiнiң, елдiң бiрқатар өңiрлерiнiң энергиялық жоғары қамтамасыз етiлуiнiң, тиiстi ғылыми-техникалық әлеуетiнiң және жартылай өткiзгiш технологиялар саласындағы белгiлi бiр ғылыми бөлiгiнiң болуы тиiмдiлiгi жоғары жартылай өткiзгiш саланы ұйымдастыруға және жартылай өткiзгiш материалдардың әлемдiк нарығында тиiстi орын алуға жақсы мүмкiндiк бередi. Бұл материалдарды алудың бәсекеге қабiлеттi технологиялары мен құрылымдарын дамыту және жартылай өткiзгiш материалдардың ғылымды қажетсiнетiн өндiрiсiн құру Қазақстанды баламалы қуат көзi ретiндегi микроэлектроника бұйымдары мен фотогальваникалық жүйелер өндiрiсiнде жоғары дамыған елдердiң әлеуеттi серiктестерi қатарына шығарады. 
Сонымен қатар бүгiнгi күнi Қазақстанда әлемдiк нарықта бәсекеге қабiлеттi өнiмдi өндiруге бейiм фотоэнергетика мен электронды техника үшiн кремнийдi алудың жоғары тиiмдi, экологиялық таза технологияларына негiзделетiн қазiргi заманғы кәсiпорындары жоқ.

Қазақстан ғалымдары бұрын отандық шикiзаттан металлургиялық және жартылай өткiзгiш кремний алу технологиясы саласындағы қолданбалы ғылыми зерттеулер жүргiздi. Күн батареялары мен жартылай өткiзгiштердiң жұмыс тиiмдiлiгi тазалық деңгейiне қарай алынатын кремнийдiң төменгi сапасы жүргiзiлген ғылыми зерттеулердiң негiзгi проблемасы болып табылады. 
Осыған байланысты «күн сапалы» кремнийдi алу үшiн металлургиялық кремний мен силан шикiзатын тазарту процесi саласында ғылыми зерттеулер жүргiзу болжанады.

Қазiргi уақытта ғылыми-техникалық прогрестiң басым бағыттарының бiрiне наноматериалдар мен нанотехнологиялар жатады. Материалдар мен жүйелерге қағидатты жаңа сапа бере отырып, нанотехнологиялар адамдардың тыныс-тiршiлiгiнiң барлық қазiргi бар салаларында (автомобиль жасау мен компьютерлiк техникадан бастап емделудiң жаңа қағидатты әдiстерiне дейiн) прогрестi қамтамасыз етедi, сондай-ақ жаңа салалардың пайда болуына күмәнсiз алып келедi.

 

Күн батареяларын құрастыру және оның қолдану аймағы

Жарты ғасырдан артық уақытта ғалымдар күн энергиясын алу және пайдаланудың түрлі жолдарын іздестірді. Күн технологияларын 4 топқа бөлуге болады: активті, пассивті, тура және тура емес(жанама).

Активті – түрлендіргіштермен бірге электромоторлар, әр түрлі механизмдер қолданылады. Күн энергиясы жарықтандыруда, вентиляцияда, ыстық сумен жабдықтауда қолданылады.

Пассивті – активтіден жүйе контурында механизмдердің болмауымен ерекшеленеді.

Тура – күн энергиясын түрлендіретін бір деңгейлік жүйелер.

Жанама – қажетті энергия түрін алу үшін көп деңгейлік түрленулер мен трансформациялау жүйелері.

Күн энергетикасының пассивті технологияларын қолданудың бір әдісі тұрғын үйлер мен кеңселерді жарықпен қамтамасыз ету, электр шамдарының орнына күн сәулесін пайдалану.

1767 жылы Орас Бендикт де Соссюр күн сәулесінің күшімен тағам дайындайтын пешті құрастырды. Қазіргі кезде оның жетілдірілген түрі кеңінен қолданылады. Бұл құрылғы отынды пайдалануды алмастырып, экологиялық жағдайдың жақсаруына әсерін тигізеді.

Күнмен қыздыру құрылғыларын резервуардағы суды жылытуға, шаруашылық қажеттіліктеріне қолданады.

1-су жылытқыш  – коллектор;2- ыстық су жинақтаушы  бак;3-душ;4-ас бөлме;5- жуынатын бөлме;

Күн энергетикасы қазіргі кезде қарқынды дамып келеді. Инженерлер тұтынушыларды осы саладағы жаңа жетістіктерімен қуантуда. Мысалы, SunRed  компаниясының фотогальваникалық элементті электордвигательмен жұмыс істейтін Solar Bikе мотороллеры, Mitsubishi компаниясының күн және жел энергиясын пайдаланатын  MiEV (Mitsubishi innovative Electric Vehicle) автомобильі.

Елімізде қазіргі таңда «күн» өнімін сататын компания жұмыс істеп жатыр. 2012 жылғы желтоқсан айынан бері қызметін жалғастырып келе жатқан «Astana Solar» ЖШС фотоэлектрлі модульдердің зауыты күн энергиясын пайдалану құрылғыларын жасайтын бірден-бір монополиялық компания. Бүгінде компанияда фотоэлектрлі модульдер 5МВт-қа дейін өндіріледі, ал жыл соңына дейін ол мөлшерді екі еселендіру жоспарлануда. Нарықтық қажеттіліктерді маркетингтік зерттеудің нәтижесінде бұл сатыда модульдердің екі түрін: қуаттылығы 220-дан 240 Вт-қа дейін KZPV 230 M60 және қуаттылығы 250-ден 280 Вт-қа дейін KZPV 270 M72 өндіру туралы шешім қабылданды. Алдағы уақытта өндірілетін өнім түрлері тапсырыс берушілердің ықыласына байланысты болады.

Фотоэлектрлі модульдерді қолдану салалары алуан түрлі. Алайда 1 МВт және одан да жоғары болып келетін ірі күн электр станциялары басымдыққа ие болып қала береді. Ал  3 кВт – бұл бір пәтердегі электр энергиясын тұтыну (мұздатқыш, теледидар, компьютер, 5-6 лампочка). Егер, сорғыны және суды жылытуды қажет ететін қала сыртындағы үйді алсақ, 20 кВт-қай дейін қуаттылық қажет. Сондықтан, күн энергетикасы ірі және орта бизнеске қызғылықты емес, өйткені оларға елеулі үлкен қуат керек. Қуаттылығы 10 кВт дейінгі жабдық  шағын қалалар мен ауылдық жерлерде көбіне жеке меншік үй иелерімен, сондай-ақ, ең шағын бизнесі бар жеке кәсіпкерлермен пайдаланылуы мүмкін.

Күн батареясының жиынтық қуаты ондаған тіпті жүздеген кВт-қа жетеді. Күн батареясы ғарыш кемелері мен аппараттарында энергиямен жабдықтау жүйесіндегі негізгі электр энергиясының көзі ретінде қолданылады. Күн батареясы сондай-ақ, тұрмыс пен техникада қолданылатын көптеген бұйымдарды (калькулятор, қол сағаты, т.б.) токпен қоректендіру көзі болып табылады.

Ал күн электр стансасы – экологиялық тұрғыда таза, дыбыссыз, қауіпсіз әрі пайдалануға ыңғайлы, оның үстіне өз құнын 100 пайыз ақтайтын тиімді қондырғы. Жұмыс істеу мерзімі шамамен 30 жыл. Осы 30 жыл ішінде жасалуына небәрі 1 кг күн кремнийі жұмсалған элемент Жылу электр стансасында мұнайдың 100 тоннасынан немесе Атом электр стансасында 1 кг байытылған ураннан өндірілетін соншалықты электр қуатын бере алады.