КҮН БАТАРЕЯЛАРЫНЫҢ ТҮРЛЕРІ ЖӘНЕ ОЛАРДЫ ПАЙДАЛАНУ

Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 5 бет
Таңдаулыға:

ӘОЖ 621. 31 КҮН БАТАРЕЯЛАРЫНЫҢ ТҮРЛЕРІ ЖӘНЕ ОЛАРДЫ ПАЙДАЛАНУ

Телемисов И. Ғ., Жанпейісова А. О., Карнакова Ғ. Ж.

М. Х. Дулати атындағы ТарМУ, Тараз қ.

Жер қабатында және атмосферадағы барлық табиғи үрдістердің негізгі энергия көзі болып күн радиациясы түрінде Жер бетіне түсетін Күн сәулесі саналады.

Күн- радиусы 695300 км газдық шар болып табылады, ол жер радиусынан 109 есе үлкен болады, сәуле шашу температурасы 6000°С шамасында. Күннің ішіндегі температура 40 млн °С дейін жетеді. Жер және Күн ортасы арақашықтықтары орташа алғанда 1, 496*10 ⁸ км тең. Жер және атмосфера Күннен жылына 1, 3*10 ²⁴ кал жылу алады. Жылудың мұндай көлемі жер қабатын 0°С кезінде қалыңдығы 35 м болатын мұз қалыңдығын ерітуге жетеді.

Күн радиясымен салыстырғанда энергияның басқа көздері өте әлсіз болып табылады. Мысалы, жұлдыздардың энергиясы күн энергиясының жүз миллиондаған бөлігін; ал космостық сәулелену - екі миллиард бөлігін құрайды. Жер қойнауынан шығатын ішкі жылу, күн энергиясының он мыңның бір бөлігін құрайды. Сонымен, Күн жердегі жылу энергиясының жалғыз көзі болып табылады. Жер Күнді эллиптикалық орбита бойынша айналады, сондықтан жыл бойына Күн мен Жердің арақашықтығы тұрақты емес. Жер мен Күннің минимальды арақашықтығы 2 қаңтарға, ал максимальды арақашықтық - 4 шілдеге тұстас келеді.

Жердің айналу осі 66, 5° тең еңкіш келеді, сондай-ақ Жердің Күнді айналуы кезінде бұл мән өзгермейді, ол жыл мерзімдерінің ауысуын қамтамасыз етеді.

Күннің радиация бөлетін көрінетін қабаты фотосфера (жарық сферасы) деп аталады. Ол иондалған күйдегі әртүрлі химиялық элементтердің балқытылған буларынан тұрады.

Фотосфераның үстінде Күннің жарық шашушы өте ашық атмосферасы бар, олар разрядталған газдардан тұрады және хромосфера деп аталады. Хромосфераның үстінде Күннің сыртқы қабаты орналасады және тәж (корона) деп аталады. Күнді құраушы газдар үнемі үзіліссіз (қарқынды) қозғалыста болады, сондықтан күн дақтары, факель және протуберанцтардың пайда болуы осымен түсіндіріледі. Күн дақтары газ массаларының құйынды қозғалысының нәтижесінде пайда болатын үлкен сорғы түрінде болады, олардың жылдамдығы 1-2 км/с дейін жетеді. Дақтардағы температура Күн температурасынан 1500°С-қа төмен болып, шамамен 4500°С-тай болады. Күн дақтарының саны шамамен 11 жыл мерзіммен жылма-жыл өзгеріп отырады.

Күн факельдері - бұл күн энергиясының қалдықтары, ал протуберанцтар - биіктігі 2 млн. км-дейін жететін Күн хромосферасындағы өте күшті жарылыстар.

Бақылаулар көрсеткендей күн дақтарының саны көп болған сайын факельдер мен протуберанцтар саны да көбейеді, сәйкесінше күн белсенділігі де артады. Күннің белсенділігі артқан сайын Жерде магниттік борандар соғады, олар телефон, телеграф және радиобайланыс желілеріне, сондай-ақ өмір сүру жағдайына да кері әсерін тигізеді. Солтүстік жарқырау да осы құбылысқа байланысты пайда болады.

Атап көрсету керек, күн дақтарының ұлғаюы мерзімінде күн радиациясының қарқындылығы алдымен өседі, ол бастапқы мерзімде күн белсенділігінің жалпы ұлғаюына байланысты, содан кейін күннің сәуле шашуы азаяды, өйткені фотосфераның температурасынан 1500° температураға төмен күн дақтарының ауданы өседі.

Жердегі және атмосферадағы күн радиациясының ықпалын зерттейтін метеорология бөлігі актинометрия деп аталады. Актинометриялық жұмыстарды жүргізу кезінде аспан жиегіндегі Күннің орналасуын білу қажет. Бұл деңгей Күннің биіктігімен және азимутымен анықталады.

Күннің биіктігі he деп Күннен горизонтқа дейінгі бұрыштық арақашықтықты атайды, немесе Күн бағыты және горизонт жазықтығы арасындағы бұрышты есептейді.

Зениттен Күнге дейінгі бұрыштық арақашықтық, немесе оның вертикальды бағыты азимут немесе зенитті арақашықтық деп аталады.

Биіктік және зенитті арақашықтық арасында мынандай қатынас болады

(1)

Күннің азимуты өте сирек анықталады, тек арнайы жұмыстар үшін.

Горизонт үстіндегі Күннің биіктігі мына формуламен анықталады:

(2)

Жылдың әртүрлі күндеріндегі Күннің максимальды биіктігі мына формуламен есептеледі:

(3)

Күн батареялары - күн энергиясын тікелей электр энергиясына айналдыратын жартылай өткізгіш құрылғы (сурет 1) . 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.

images (21)

Сурет 1. Күн батареясы. [3]

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 см ² 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 м ² ауданға (ғарыш аппаратының Күннен қашықтығы 150 млн. болған кезде) келетін қуат ~130 Вт-қа тең. Температура жоғарылаған сайын (25 ^o С-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 - экологиялық 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.

Күн батареяларының 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.

images (14) images (13)

а) б)

Сурет 2. а) Күн батареясын жылу энергиясы үшін қолдану

б) Күн батареясын электр энергиясы үшін қолдану [2]

Күн батареяларының функциолану принципін талдау.

Күн батареяларының әрекетінің жалпы принципі 3 суретте бейнеленген.

Сурет 3. Күн батареясының әрекет етуінің жалпы қағидасы [1]

Электромагниттік сәуле шығарғандағы сәуле бөлшектері (фотондар) күн фотоэлементінің бетіне түседі. Егер фотонның энергиясы тыйым салынған зонаның энергиясынан аз болса, онда ол өткізгішпен әлсіз әрекет етеді. Ал фотонның энергиясы тыйым салынған зонаның энергиясынан жоғары болса, онда ол өзінің энергиясын пайдалана отырып, ковалентті байланысқа ие электрондармен әрекеттеседі, фотон байланысты үзеді де тесік - электрондардың парларын құрайды [1] . Басқаша айтқанда фотондар теріс n және оң р қабатта электрлік зарядтардың орын ауыстыруларын белсендендіреді. Осының нәтижесінде кедендік зонаның р - қабатында өтелмеген теріс зарядтар қалыптасады, ал кедендік зонаның n - қабатында өтелмеген оң зарядтар қалыптасады. Осылайша р - n өткізгіші қалыптасады. р - n өткізгішінде қалыптасқан патенциалдардың әр түрлілігі фото электрлі қозғалыстағы күшті тудырады, нәтижесінде күн фото элементінің жоғарғы және төменгі түйіспелеріне жалғанған тұтынушы қондырғысына, тұрақты электрлік тоқ беріледі [4] .

Монокристаллды кремнийден күн батареялары жайында толығырақ.

Күн батареяларының ең көп тараған және белгілі түрлері монокристаллды кремнийден күн батареялары. Оларды жоғары тазалықты кремний кристаллдарын құю арқылы алады, бұл кезде ерітінді кристалл жапқысымен түйіскенде қатаяды. Суыту процессі кезінде кремний диаметрі 13 - 20 см, ені 200 см жететін монокристаллдың цилиндрлі құймасының қалыпында жаймен суиды. Осылайша алынған құйма қалыңдығы 250 - 300 мкм болатын үлпілдектерге кесіледі. Мұндай элементтер басқа әдістермен алынатын элементтермен салыстырғанда жоғары тиімділікке ие, монокристаллдың атомдарының ерекше бағытталуының арқасында ПӘК 19 % жетеді, бұл электрондардың қозғалысының артуына септігін тигізеді. Металл электродтардан тор кремнийден өтеді. Дәстүрлі түрде монокристаллды модульдер алюминий рамкаға орнатылған және қарсы соққылы шынымен жабылған. Монокристаллды фотоэлементтердің түсі - қою көк немесе қара.