Arduino микроконтроллерін пайдаланып күн трекерін жасау
Кіріспе 5
1. Күн энергиясы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 6
1.1 Күн радиациясы, оны қолдану ерекшеліктері ... ... ... ... ... ... ... ... ... 6
1.2 Күн батареяларының жұмыс істеу принципі ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 8
2. Күн радиациясын түрлендіруші техникалық құрылғылар ... ... ... ... 12
2.1 Күн энергиясының коллекторлары ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 12
2.2 Күн энергиясының концентраторлары ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 15
2.3 Күн энергиясының трекері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 17
3. Заманауи микроконтроллерлерге шолу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 25
3.1 Микроконтроллер. Arduino микроконтроллерлер тобына қысқаша шолу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 31
3.2 Arduino платаларын кеңейту ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 32
3.3 Arduino өңдеу ортасы және программалау негіздері ... ... ... ... ... .. 35
4. Arduino микроконтроллерін пайдаланып күн трекерін жасау ... ... 41
4.1 Бір осьті күн трекерін құрастыру ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 43
4.2 Трекердің электрондық схемасының ерекшеліктері және оны программалау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 50
4.3 Трекерді тәжірибеден өткізу нәтижелері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 51
1. Күн энергиясы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 6
1.1 Күн радиациясы, оны қолдану ерекшеліктері ... ... ... ... ... ... ... ... ... 6
1.2 Күн батареяларының жұмыс істеу принципі ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 8
2. Күн радиациясын түрлендіруші техникалық құрылғылар ... ... ... ... 12
2.1 Күн энергиясының коллекторлары ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 12
2.2 Күн энергиясының концентраторлары ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 15
2.3 Күн энергиясының трекері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 17
3. Заманауи микроконтроллерлерге шолу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 25
3.1 Микроконтроллер. Arduino микроконтроллерлер тобына қысқаша шолу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 31
3.2 Arduino платаларын кеңейту ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 32
3.3 Arduino өңдеу ортасы және программалау негіздері ... ... ... ... ... .. 35
4. Arduino микроконтроллерін пайдаланып күн трекерін жасау ... ... 41
4.1 Бір осьті күн трекерін құрастыру ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 43
4.2 Трекердің электрондық схемасының ерекшеліктері және оны программалау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 50
4.3 Трекерді тәжірибеден өткізу нәтижелері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 51
Қоғамның энергиямен қамтамасыз етілуі – ол елдің ғылыми–техникалық озуына, өндіруші күштерінің артуына негіз болады. Энергияның қоғамдық қажеттіліктермен сәйкес келуі экономикамыздың өркендеуінің басты факторы болып табылады. Себебі бүкіләлемдік экономика даму үшін өндірістің энергиямен қамтамасыз етілуі тұрақты түрде өсіп отыруы тиіс әрі болашақта кеңінен пайдаланылатындай болуы шарт. 1973-1974 жж. энергетикалық дағдарыс капиталистік елдерде дәстүрлі энергия көздері (мұнай, көмір, газ) негізінде оған қол жеткізу қиынға соғатынын көрсетті. Дәстүрлі энергияны пайдалану құрылымын ғана емес, енді альтернативті энергия көздерін кеңінен пайдалану қажет. Дәстүрлі емес энергия көздеріне күн, геотермалды және жел энергиясы, сонымен қатар мұхит, биомасса энергиясы т.б. жатады. Әдетте оларға атом энергиясын да жатқызады. Алайда қазіргі таңда атом энергиясының дамуы тек шартты түрде болып отыр.
1. Ляшков В.И., Кузьмин С.Н.Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. –Тамбов: ТГТУ, 2003.-72 с.
2. Голицын М.В.,Пронина Н.В. Альтернативные энергоносители. – М.: Наука, 2003. – 157 с.
3. Кузнецова В.АТеплоэнергетика и теплотехника: Справочник. Кн. 2: Теоретические основы теплотехники. Теплофизический эксперимент М.: МЭИ, 2001. – 564 с.
4. Макаровский С.Н. Особенности работы электростанций на нетрадиционных возобновляемых источниках энергии и пути повышения их эффективности.-М.: Гидротехническое сроительство 2001.- 33 – 36 с.
5. Магомедов А.М. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. – М.: Юпитер, 1996. – 245с.
6. Лучков Б.И. Солнечный дом, солнечный город // Наука и жизнь. – 2002. – № 12. 26 –31 с.
7. Никола Тесла Лекции. Статьи. Москва, 2003. – 386 с.
8. Электроника: Наука, Технология, Бизнес // Фотовольтаика: Материалы, технологии, перспективы 2000, Вып. 6. 1 – 45 с.
9. Aberle AG. Surface passivation of crystalline silicon solar cells: A review. Progress in Photovoltaics: Research and Applications 2000; 8, 473 – 487 р.
10. Байерс Т. 20 конструкций с солнечными элементами. М.:Мир,1988. – 198 с.
11. Танака Т., Суда Р. Жилые дома с автономным солнечным теплохладоснабжением. М.: Стройиздат,1989.- 345 с.
12. LuqueA., HegedusS. HandbookofPhotovoltaic Science and Engineering England:Wiley, 2003.- 446 р.
13. Peter W. Physics of Solar Cells.- Weinheim:Wiley–VCH, 2005.-229 р.
14. Алферов Ж.И., Андреев В.М., Румянцев В.Д. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики . – С.Петербург: Россия, 2004. – 237 с.
15. Колтун М.М. Оптика и метрология солнечных элементов. – М.: Наука 1985. – 280с.
16. Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей: Пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат, 1983.- 360 с.
2. Голицын М.В.,Пронина Н.В. Альтернативные энергоносители. – М.: Наука, 2003. – 157 с.
3. Кузнецова В.АТеплоэнергетика и теплотехника: Справочник. Кн. 2: Теоретические основы теплотехники. Теплофизический эксперимент М.: МЭИ, 2001. – 564 с.
4. Макаровский С.Н. Особенности работы электростанций на нетрадиционных возобновляемых источниках энергии и пути повышения их эффективности.-М.: Гидротехническое сроительство 2001.- 33 – 36 с.
5. Магомедов А.М. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. – М.: Юпитер, 1996. – 245с.
6. Лучков Б.И. Солнечный дом, солнечный город // Наука и жизнь. – 2002. – № 12. 26 –31 с.
7. Никола Тесла Лекции. Статьи. Москва, 2003. – 386 с.
8. Электроника: Наука, Технология, Бизнес // Фотовольтаика: Материалы, технологии, перспективы 2000, Вып. 6. 1 – 45 с.
9. Aberle AG. Surface passivation of crystalline silicon solar cells: A review. Progress in Photovoltaics: Research and Applications 2000; 8, 473 – 487 р.
10. Байерс Т. 20 конструкций с солнечными элементами. М.:Мир,1988. – 198 с.
11. Танака Т., Суда Р. Жилые дома с автономным солнечным теплохладоснабжением. М.: Стройиздат,1989.- 345 с.
12. LuqueA., HegedusS. HandbookofPhotovoltaic Science and Engineering England:Wiley, 2003.- 446 р.
13. Peter W. Physics of Solar Cells.- Weinheim:Wiley–VCH, 2005.-229 р.
14. Алферов Ж.И., Андреев В.М., Румянцев В.Д. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики . – С.Петербург: Россия, 2004. – 237 с.
15. Колтун М.М. Оптика и метрология солнечных элементов. – М.: Наука 1985. – 280с.
16. Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей: Пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат, 1983.- 360 с.
Қазақстан Республикасының білім және ғылым министрлігі
әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті
Физика-техникалық факультеті
Қатты дене физикасы және бейсызық физика кафедрасы
Қорғауға жіберілді
____________________ҚДФжБФ кафедра меңгерушісі Приходько О.Ю.
ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС
Тақырыбы: ARDUINO МИКРОКОНТРОЛЛЕРІН ПАЙДАЛАНЫП КҮН ТРЕКЕРІН ЖАСАУ
5В071900 - Радиотехника, электроника және телекоммуникациялар мамандығы
Орындаған Кеңесхан Ұ.Қ.
Ғылыми жетекшісі
PHD доктор Темирбаев А.А.
Норма бақылаушы Хамзина А.Г.
Алматы 2014
Реферат
Дипломдық жұмыс 49 беттен, 36 суреттен, 36 қолданылған әдебиетттер тізімінен тұрады.
Кілт сөздер: күн трекері, Arduino микроконтроллері, коллектор, концентратор, күн батареясы.
Жұмыстың мақсаты: Күн фотоэлементтерінің қуатын арттыру мақсатында Arduinо микроконтроллерін пайдаланып күн трекерін жасау.
Arduinо микроконтроллерінің негізінде бір осьті күн трекері жасалынды. Күн трекерінің эффективтілігі трекерге жазылған программаға тікелей байланысты.
Реферат
Дипломная работа объемом 49 страниц содержит 36 иллюстрации, 36 наименований используемой литературы.
Перечень ключевых словосочетаний и терминов: солнечный трекер, микроконтроллер Arduino, коллектор, концентратор, солнечная батарея.
Цель дипломной работы: для увеличения мощности солнечных фотоэлементов, с помощью микроконтроллера Arduinо сделать солнечный трекер.
С помощью микроконтроллера Arduinо был сделан одноосьный солнечный трекер. Эффективность солнечного трекера зависит от написанной программы для трекера.
Abstract
The thesis of 49 pages contains 36 illustrations and 36 names of used sources.
A list of key phrases and terms: solar tracker, microcontroller Arduinо, collector, concentrator, solar battery.
Objective: purpose of the thesis: to increase the power of solar cells, using a microcontroller Arduino make solar tracker.
Using Arduino microcontroller was made one axis solar tracker. Performance of solar tracker depends on the written program for the tracker
Анықтама
Күн трекері - күн бағытымен қозғалу мүмкіндігі бар, яғни күн шығыстан шыққаннан бастап батыста батқанға дейін күнді бақылап, күн батареяларынан максималды ПӘК алатын құрылғы.
Arduino микроконтроллері -- негізгі компоненттері қарапайым енгізушығару платасы мен ProcessingWiring тіліндегі өңдеу ортасы болып табылатын аппаратты есептеуіш платформа. Платформа программалау тілінің қарапайымдылығы мен ыңғайлылығына байланысты бүкіл әлемге танымал. Құрылғы USB арқылы программаторлардың көмегінсіз программаланады.
Коллектор - жарық түрінде күннен келетін жылулық энергияны жинайтын құрылғы. Ол күн батареяларына қарағанда электр қуатын шығарудың орнына материалдың қызуын жүзеге асырады.
Концентратор - бұл күн энергиясын үлкен ауданннан жинап, осы жиналған энергияны аз ауданға бағыттауға арналған құрылғы.
Жазық күн коллекторы - күн энергиясының көмегімен сұйықтықты немесе газды жылытуға арналған жылу алмасу құрылғысы болып табылады. Құрылғының негізгі элементтері: күн радиациясын жұту арқылы жылынып оны таратушы жұмыс құрылғысына жіберуге арналған жазық бет, сәулелену әсерінен жылулық жоғалуды басатын әйнек, корпус және жылулық оқшаулағыш.
Френель линзасы - фотоэлектрлік элементтің бетіне түскен күн сәулесін концентрациялау мақсатында қолданылады.
Күн батареясы - бұл фотогальваникалық жүйенің кішкентай құраушы бөлігі.Олар күн немесе фотогальваникалық модульдерді құрасытру үшін бір - бірімен электрлік байланысқан.
Мазмұны
Кіріспе
5
1.
Күн энергиясы ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
6
1.1
Күн радиациясы, оны қолдану ерекшеліктері ... ... ... ... ... .. ... ... ... .
6
1.2
Күн батареяларының жұмыс істеу принципі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
8
2.
Күн радиациясын түрлендіруші техникалық құрылғылар ... ... ... ...
12
2.1
Күн энергиясының коллекторлары ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ..
12
2.2
Күн энергиясының концентраторлары ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
15
2.3
Күн энергиясының трекері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
17
3.
Заманауи микроконтроллерлерге шолу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
25
3.1
Микроконтроллер. Arduino микроконтроллерлер тобына қысқаша шолу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
31
3.2
Arduino платаларын кеңейту ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
32
3.3
Arduino өңдеу ортасы және программалау негіздері ... ... ... ... ... ..
35
4.
Arduino микроконтроллерін пайдаланып күн трекерін жасау ... ...
41
4.1
Бір осьті күн трекерін құрастыру ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .
43
4.2
Трекердің электрондық схемасының ерекшеліктері және оны программалау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
50
4.3
Трекерді тәжірибеден өткізу нәтижелері ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ..
51
Кіріспе
Табиғатты алдауға болмайды, бірақ онымен бір бітімге келуге болады.
А. Эйнштейн
Қоғамның энергиямен қамтамасыз етілуі - ол елдің ғылыми - техникалық озуына, өндіруші күштерінің артуына негіз болады. Энергияның қоғамдық қажеттіліктермен сәйкес келуі экономикамыздың өркендеуінің басты факторы болып табылады. Себебі бүкіләлемдік экономика даму үшін өндірістің энергиямен қамтамасыз етілуі тұрақты түрде өсіп отыруы тиіс әрі болашақта кеңінен пайдаланылатындай болуы шарт. 1973-1974 жж. энергетикалық дағдарыс капиталистік елдерде дәстүрлі энергия көздері (мұнай, көмір, газ) негізінде оған қол жеткізу қиынға соғатынын көрсетті. Дәстүрлі энергияны пайдалану құрылымын ғана емес, енді альтернативті энергия көздерін кеңінен пайдалану қажет. Дәстүрлі емес энергия көздеріне күн, геотермалды және жел энергиясы, сонымен қатар мұхит, биомасса энергиясы т.б. жатады. Әдетте оларға атом энергиясын да жатқызады. Алайда қазіргі таңда атом энергиясының дамуы тек шартты түрде болып отыр. Пайдалы қазбалардан өңделетін отынмен салыстырғанда энергияның дәстүрлі емес формасының геологиялық қоры шектелмеген, яғни осындай энергия көздерін пайдалану қордың сарқылуына әкелмейді. Энергияны пайдалану кез келген іс - әрекеттің іске асуының негізгі қажетті шарты болып табылады. Табиғаттың заңдары бекіткендей қолдануға ыңғайлы энергияны алу үшін алдымен оны басқа формадан түрлендіріп алу қажет. Өкінішке орай, мәңгілік қозғалтқыштардың болуы мүмкін емес, ал энергияға деген қажеттілік жыл санап артуда. Энергияны пайдалану әрбір 30 жыл сайын екі еселенеді және қазіргі таңда шартты түрде алғанда бір жылда пайдаланылатын отынның көлемі миллиард тоннаға жетеді. Бүгінгі таңда дәстүрлі энергия көздері мен оларды пайдалану технологиялары қоғамның энергияны пайдалануында қажетті деңгейін қамтамасыз ету мүмкіндігі жоқ, себебі бұл қалпына келмейтін көздер. Қазірдің өзінде қордың азаюына байланысты кейбір қор көздері өнеркәсіптік өңдеуде пайдалануға жарамсыз болып жатыр, мысалға мұнайды, газды алу қиыншылық тудыруда, ол үшін алыс аймақтарға баруға тура келеді. Қазіргі таңда энергияны пайдалану қарқыны 3...5 %-ды құрап отыр, ал органикалық отын 70 - 150 жылдан соң таусылады деген болжам бар. Энергияны өндіру көлемінің шектелуінің тағы бір себебі, энергетикалық өндіріс орындарының қоқыстары қоршаған ортаға үлкен мөлшерде зиянын тигізуде. Бұл қалдықтардың мөлшері үлкен және құрамында зиянды компоненттері көп. Сонымен қатар қоршаған ортаның жылулық ластануынан Жердің климаты өзгеруде әрі мұздықтар еріп, әлемдік мұхит деңгейі артуда. Осы және басқа да мәселелерді шешу жан - жақты қарастырылуда.
Жоғарыда айтылған мәселелерді шешу жолында дәстүрлі емес энергия көздерін тәжірибе жүзінде пайдалану өзекті болып келеді әрі экологиялық таза яғни қоршаған ортаны ластамайды [1,2].
1. Күн радиациясы
1.1 Күн радиациясы, оны қолдану ерекшеліктері
Қалпына келетін энергия көздері ішінен күн радиациясы ресурстарының көлемі бойынша, экологиялық тазалығы мен таралуы жағынан болашақта кеңінен пайдаланылу мүмкіндігі бар. Тікелей күн сәулесін пайдалану күн энергетикасын кеңінен қолдануға мүмкіндік береді. Егер Жерге түсетін күн сәулесінің 0,5 %-ын пайдалана алатын болсақ, онда ол бүкіләлемдік энергияға деген қажеттіліктерді қамтамасыз етіп, сонымен қатар жүзжылдық пдайдалануға да жетер еді. Алайда осындай үлкен қорды ірі көлемде пайдалану мүмкін емес. Оның басты кедергісі күннің сәулелену интенсивтілігі төмен. Тіпті қолайлы жағдайда да күн сәулесі ағынының тығыздығы 250 Втм[2]. Күн энергиясының қабылдағыштарын барлық жерлерде орната алмаймыз, себебі теңіздер мен мұхиттар (планетамыздың 80% су алып жатыр), таулар, тундралар сонымен қатар кейбір аймақтарда жылына шуақты күндердің аз болуына байланысты. Қиындықтар күн шуағының бірқалыпты таралмауына да байланысты: түнде күн шуағы түспейді және бұлтты кезде қуаты он есеге дейін төмендейді. Осындай жағдайларда электроэнергияның тұрақты өндірілуі мүмкін емес, сол себепті гелиоагрегаттардың мүмкіндіктері мен қабілеттіліктеріне байланысты технологиялық процестерді жетілдірген жөн.
Үлкен өлшемдегі күн коллекторларын қолдану үшін материалдық шығын мөлшері көп болады. Есептеулер бойынша коллекторларды жасауға 1 км[2] ауданға 10[7] кг алюминий қажет, ал қазіргі таңда бұл металдың жалпы қоры 1,17 ⋅10[12]кг. Күн энергетикасын ауқымды түрде пайдалану еңбек ресурсында шикізатты өңдеу, құрылғыларды жасау, оларды орнату және тасымалдауға үлкен мөлшерде материалдық шығындарды қажет етеді. Осыған орай, күн сәулесінен алынатын электр энергиясы бағасы жағынан қымбат болып отыр. Бірақ, өзгелерімен салыстырғанда күн энергетикасын пайдалану экономика жағынан тиімді болып табылады. Үш күннің ішінде ғана Күн жер бетіне барлық пайдалы қазбалар қорынан алынатын энергияны, ал 1 сек. - 170 млрд. Дж. мөлшердегі энергияны жібереді. Бұл энергияның көп бөлігі атмосферада жұтылады немесе сейіледі және оның тек үштен бірі ғана жер бетіне келіп түседі. Осыған қарамастан келіп түсетін энергия басқа энергия көздеріне қарағанда 1600 есе көп энергияны береді. Бір көлге келіп түсетін күн энергиясының қуаты ірі электростанцияның өндіретін қуатына эквивалентті. Күннің 0,0125% энергиясын пайдалану қазіргі таңда бүкіләлемдік энергетиканы қамтамасыз ете алады, ал 0,5% болашақтағы қажеттіліктерді қамтамасыз ету мүмкіндігі бар. Алайда бұл қорды үлкен көлемде пайдаланудың жақын болашақта іске асырылуы екіталай. Бұл энергияның аз ғана бөлігі тәжірибеде қолданылуда [3,4].
Күн сәулесінің энергия көзі болып термоядролық реакция қызмет етіп, әрбір секунд сайын Күнде 6*1011 кг сутегі гелийге айналады. Бұл кезде массаның кемуі 4000 кг құрайды және ол Эйнштейннің E=mc[2] арақатынасына сәйкес 4*1020 Дж энергияның бөлінуіне әкеледі. Бұл энергияның негізгі бөлігі электромагниттік сәуле түрінде 0,2 - 3 мкм диапазонда таралады. Күннің толық массасы 2*10[30]кг болғандықтан, ол 10 млрд.жылдан астам уақыт тұрақты түрде энергия бөлуі тиіс. Бос кеңістікте күн сәулесінің үлкен арақашықтықта таралу интенсивтілігі Жер мен Күннің орташа арақашықтығына тең әрі ол күн тұрақтысы деп аталады. Оның мөлшері - 1353 Втм2 . Күн сәулесінің әлсіреуі атмосфера арқылы өткенде су буының инфрақызыл сәулеленуінен, ультракүлгін сәулелену - озон қабатында жұтылудан, атмосфералық шаңнан және аэрозольдардан болады [5].
Эффективті күн тұрақтысы I0эф Күн мен Жердің арасындағы мезгілдік арақашықтықты ескере отырып, мына формула арқылы есептеледі:
I0эф=I0[1+0.033∙cos(360n365)] (1)
мұндағы n - 1 - қаңтардан бастап саналатын күннің реттік номері.
Күн радиациясының қуаты атмосфера қабаты арқылы өткенде шаңнан, газ молекулалары негізінде жұтылады. Ал түскен энергияның біраз бөлігі космоста шағылады. Шағылған жылудың біраз бөлігі сәуле қандай жазықтыққа түсетініне байланысты. Құрғақ жер үшін бұл бөлік 0,14, қар үшін 0,6 ... 0,9, су беті үшін 0,2
0,78-ге тең және ол күн сәулесінің түсу бұрышына байланысты. Күн энергиясы пайдалануға ыңғайлы, арзан, қоршаған ортаға кері әсерін тигізбейтін, жерге молынан түсетін энергия көзі болып табылады.
Қазіргі таңда күн энергиясын пайдаланудың бірнеше түрлі технологиясы: компьютерлерге арналған шағын қорек блоктары мен жекелеген үй жүйелерінен бастап үлкен көлемдегі күн энергиясын концентрациялаушы жүйелерге дейін жасалып шығарылған. Бұл күн жүйелері халықтың қажеттіліктерін қанағаттандыра алады әрі экологиялық таза энергия болып саналады.
Пайдалану тәсіліне байланысты күн энергиясының активті және пассивті деңгейлері болады. Активті күн энергиясына пайдалануға жарамды түрге түрлендірілген энергияны жатқызады және оны түрлендіруге күн коллекторы қолданылады. Өз кезегінде активті энергия: жылулық және фотогальваникалық күн энергияларына бөлінеді. Жылулық күн энериясы күнді пайдалану арқылы су жылытқыштарда, концентраторларда, пеш сияқты жылыту жүйелерінде қолданылады. Ал фотогальваникалық күн энергиясы электр қуатын генерациялауда қолданылады. Пассивті күн энергиясы архитектуралық жобалауда ғимараттың табиғи материалы немесе құрылымы энергосақтаушы жүйе ретінде пайдаланылған кезде қолданылады [6,7].
Қазіргі таңда бүкіл әлем бойынша альтернативті және қалпына келетін энергия көздеріне үлкен назар аударылуда. Оның ішінде күн энергиясының фотоэлектрлік түрлендіргіштеріне ерекше көңіл бөлінуде, ол бөлек ғылыми бағытқа - фотовольтаикаға негізделген. Фотогальваникалық сөзі жарықтан алынатын электр көзі деген мағынаны білдіреді. Фотогальваникалық жүйелер күн сәулесін электр энергиясына түрлендіру үшін күндізгі жарықты пайдаланады. Күн элементтері - осындай түрлендірулерді іске асыратын әдістердің бірі болып табылады.
Күн элементі - бұл фотогальваникалық жүйенің кішкентай құраушы бөлігі.Олар күн немесе фотогальваникалық модульдерді құрасытру үшін бір - бірімен электрлік байланысқан. Бір - бірімен тізбектей және параллель байланысқан күн элементтері фотогальваникалық модульді қалыптастырады. Фотогальваникалық модульдер әмбебап пайдаланылуымен сипатталады: өлшемі кішкентай, қажетті жерге оңай тасымалданады, генерациялаушы станция ретінде қолданылу мүмкіндігі бар. Төменде күн элементінің құрылымы көрсетілген (сурет 1).
Сурет 1. Күн элементінің құрылымы
1) Күн фотоэлементі көпқабатты материалдардан құралған:
2) Мөлдір әйнектің жабын қабаты сыртқы ортаның әсерлерінен қорғауды қамтамасыз етеді;
3) Мөлдір байланыстырушы зат әйнекті күн фотоэлементінің бетінде ұстап тұруға арналған;
4) Шағылуға қарсы қабат фотоэлементке түсетін жарықтың максималды түрде жұтылуын және жарықтың шағылуынының алдын алады;
5) Алдыңғы байланыс қабаты электр тогын өткізеді;
6) Жұқа n-типті жартылайөткізгіш қабат фосфор қоспасы мен кремниден жасалған;
7) Екінші р-типті жұқа жартылайөткізгіш қабат кремний мен бор қоспасынан жасалған;
8) Артқы байланыс қабаты электр тогын өткізеді [8].
1.2 Күн батареяларының негізгі жұмыс істеу принципі
Шалаөткізгіш кремнилік күн элементі кеңінен таралған. Ол бір - бірімен тығыз байланыста орнатылған p - және n- типті өткізгішті жартылайөткізгіш қабаттардан тұратын жүйе. Кремнилік пластинаның астыңғы р-типті пластинасында жұқа металдық контактісі бар p - n өткелі орнатылған. Күн элементіне жарық түскенде жұтылған фотондар тепе - теңсіз өлшемдері әр түрлі электронды - кемтікті жұптарды генерациялайды. p - n өткеліне жақын орналасқан р-қабатында генерацияланған электрондар p - n өткеліндегі электр өрісі арқасында тартылып, n- аймағына өтеді. n- қабаттағы пайда болған артық кемтіктер р- қабатқа тасымалданады. Нәтижесінде n- қабатта қосымша теріс заряд, ал р- қабатта - оң зарядтар орналасады. Екі кристалл арасында тығыз механикалық байланыс болған жағдайда атомдар бір - біріне жақындай түседі, фосфор атомдары өзінің артық электрондарын бор атомдарына береді, бор атомдары өз кезегінде электрондарды бірден қабылдап алады. Нәтижесінде кристалдың электрлік теңелуі қалыптасады. Кристалдардың құрылымы өте қатты, сол себепті бір - бірімен тығыз байланысқан атомдар арасында ғана алмасу жүреді. Осындай эффект алу үшін кремниді жоғары температуралы диффузия процесін пайдалана отырып легірлейді. Нәтижесінде әр түрлі қоспалармен легірленген жартылайөткізгіштің бір бөлімінде өте жұқа p - n өткелі деп аталатын аймақ пайда болады. Осы аймақтың ішінде жарықтың электр энергиясына түрлену процесі іске асырылады [9].
Күн элементінің жұмыс істеу принципі қарапайым. Кремнилік күн элементіне жарық түсірген кезде тізбектің қосылу түрі мен типіне тәуелсіз көлемі 0,5 В электрлік кернеуді генерациялайды. Ол негізінен жарықтың интенсивтілігі мен элементтің өлшеміне байланысты. Яғни ауданы 10х10см2 элемент ауданы 5х5см2 элементпен салыстырғанда 4 есеге үлкен токты береді. Ток күші жарықтың толқын ұзындығы мен интенсивтілігіне байланысты және ол сәулелену интенсивтілігіне тура пропорционал. Сәуле жарық болған сайын күн элементінде көбірек ток генерацияланады. Жоғарыда айтылған параметр шегінде ғана пайдаланылатын болса, күн элементтері сирек қолданылатын еді. Бірақ қажеттіліктер туындаған жағдайларда ғана төмен кернеу (0,5 В) қолданылады. Негізінен кернеу бойынша шектеулер жоқ. Күн элементтерінің шығыс сипаттамаларын үлкейту мақсатында тізбектей және параллель қосуға болады. Күн элементтерін қарапайым батарейкалар ретінде қарастыратын болсақ, шамның жарықтылығын арттыру үшін бірнеше батарейкалар қолданылады. Шын мәніне келгенде, батарейкаларды тізбектей жалғаған кезде кернеу толығымен артады (сурет 2).
Сурет 2. Батарейкаларды тізбектей жалғау үлгісі
Осындай жағдайды күн элементтеріне де қолдануға болады. Бір элементтің оң шығысын екінші элементтің теріс шығысына жалғау арқылы көлемі 1 В кернеу алуға болады. Осындай байланыстыру арқылы үш элементтен 1,5 В, ал төрт элементтен 4 В т.с.с. Теория жүзінде қарастырсақ, шартты түрде тізбектей байланысқан күн элементтерінің кернеуі мың вольтқа дейін жетеді. Бірақ шығыс токты арттыруда тізбектей байланыстырудың өзіндік кемшіліктері бар. Қорек көздерін тізбектей жалғау кезінде тізбектегі төмен элементтің сипатына байланысты шығыс ток деңгейден асып кете алмайды. Яғни 2-амперлі күн элементінен жасалған тізбекте тізбектегі 1-амперлі элемент толық шығыс токтың көлемін анықтайды. Сәйкесінше сипаттамалары максималды болу үшін, тізбектегі барлық элементтердің токтарын сәйкестендіріп алу керек.
Шығыс тогы элемент бетінің ауданына байланысты, осыған орай токты күшейтудің қарапайым жолы - ол элементтің немесе элементтердің ауданын үлкейту болып табылады (сурет 3).
Сурет 3. Батарейкаларды параллель жалғау үлгісі
Параллельді байланыс кезінде кернеу емес тек токтың көлемі ғана артады. Параллельді байланысқан элементтердің генерациялаушы кернеуі 0,5 В - тан аспайды, ол элементтер санына тәуелсіз. Екі түрлі байланыс тәсілдерінің артықшылықтарын пайдалана отырып, элементтердің тізбектей және параллель байланысын біріктіруге болады. Осындай түрдегі байланыс батарея деп аталады. Батареяларды кез келген комбинация бойынша құрастыруға болады. Орналасуына тәуелсіз элементтердің шығыс сипаттамалары бірдей болады. Мысалға, жекелеген элементтердің қысқаша тұйықталуын болдырмау үшін тізбектелген элементтерден құралған тізбекті параллель жалғайды (сурет 4, а). Ал 4, б-суретте элементтердің параллельді - тізбектей жалғануы көрсетілген. Бұл байланыс егер элементте жарық пайда болған жағдайда тізбек толығымен жұмыс істеуден шықпас үшін қолданылады. Басқа да байланыс типтерін қолдануға болады, ол құрылғының нақты жұмыс істеу мүмкіндіктеріне байланысты [10,11].
Сурет 4, а . Тізбектелген элементтерді параллель жалғау
Сурет 4, б. Параллельді тізбектей жалғау
p - n өткелі электрондардың қозғалысы үшін айтарлықтай үлкен бөгет болып табылады, бірақ бұл бөгеттен өту мүмкін емес деген мағынада емес. Фотоннан алатын энергия электронға бөгеттен өтіп кемтікке қосылу үшін көп жағдайда жеткіліксіз. p - n өткелінің әдеттегі өткелі 600 мВ (0,6 В) құрайды. Энергиясы 600 мВ электрондар көтеріліп осы қабырғада жұтылуы мүмкін. Сәйкесінше, күн элементінің максималды өндіретін кернеуі 600 мВ, бірақ ол күн элементінің құрылымы мен жартылай өткізгіш материалдың типіне байланысты [11].
Әдетте жер бетіне келіп түсетін күн сәулесінің отраша интенсивтілігін 100 мВтсм[2] деп қабылдау негізделген. Өлшемі 10х10см2 күн элементі теориялық тұрғыдан алғанда 10 Вт қуатты генерациялауы тиіс. Алайда, ешбір күн элементі осындай қуатты генерациялай алмайды: әрдайым жоғалтулар болады. Қазіргі таңға дейінгі ең үлкен эффективтілік (пайдалы әрекет коэффициенті) 30 % құрайды. Қарапайым кремнилік күн элементінің ПӘК - і 10 - 13%. Ауданы 100 см2 элемент 1 Вт-қа жуық қуатты генерациялау мүмкіндігі бар [12]. Күн элементінің ПӘК - і көптеген себептерге байланысты, соның ішінде көп әсер ететін ол қоршаған ортаның температурасының өзгеруі болып табылады. Температура үлкейген сайын кристалдың торы қозып, ондағы атомдар жылдамырақ қозғала бастайды. Ол өз кезегінде құрылым ішіндегі электрондардың энергетикалық деңгейінің артуына ықпал етеді. Электрондардың энергетикалық деңгейі толығымен артқан кезде олардың көп бөлігінде p - n өткелінің тосқауылынан өту қабілеттілігі артып, жартылайөткізгіште рекомбинация бірден жоғарылайды. Бұл жағдайда торлы коллекторларға жеткен электрондар саны кеміп, жүктемедегі электрлік ток төмендейді. Төменгі температура фотоэффектінің күшеюіне әсер етеді [13,14].
2. Күн радиациясын түрлендіруші техникалық құрылғылар
2. 1 Күн энергиясының коллекторлары
Күн жүйелерін тұрмыста пайдалану құрылғыларында коллектор маңызды жұмыс элементі болып табылады, себебі бұл құрылғы күн сәулесін қабылдап алып, оны жылуға түрлендіру немесе осы жылуды аралық жылутасымалдағышқа жіберуге арналған. Құрылғы жылуды жылуқолданғыш технологиялық немесе энергетикалық орнатқышқа жібереді. Күн коллекторларының бірнеше түрлері бар. Олардың ішінде жылумен және ыстық сумен қамтамасыз ету жүйелерінде жазық және вакуумды түтікшелі коллекторлар кеңінен қолданылады. Жазық күн коллекторлары өзінің құрылымы мен жұмыс істеуіне байланысты жекеленген элемент болып табылады және олар орнатылған ғимаратқа тәуелсіз. Негізінен бойлық және көлденең өлшемдері 2х1 м, ал қалыңдығы - 10 см болатын жазық коллекторлар қолданылады, оларды зауыттарда өндіреді. Жазық күн коллекторының бетінде мөлдір жабын орналасады, әдетте ол бос кеңістіктен тұратын әйнектен жасалады. Әйнектен жасалған жабын ыстық ауаға қатысты термотұрақты, сонымен қатар мықты әрі сыртқы орта факторларына тұрақты әсер етеді. Осындай әйнек пайдалану ұзақтығына тәуелсіз әрі оның күн сәулесін өткізу коэффициенті жақсы. Жарықты қабылдаушы панельдер әр түрлі материалдардан жасалады. Панель жарықтасымалдаушы түтікшеден және жарықтасымалдаушыға күн сәулесін өткізуші пластинадан тұрады [15]. Жарықтасымалдаушы панельдерді дайындауға алюминий, мыс және тот баспайтын болат қолданылады. Кейбір жағдайларда түтіктерді түтік мыстан, ал пластиналарды алюминиден дайындайды. Вакуумдалған түтікшелі коллектор құрылымының негізі жарыққабылдағыш болып табылады, ол вакуумдалған әйнек түтікке бекітілген селективті - жұтушы қабықшадан тұрады. Вакуум әсерінен жылудың конвективті жоғалтулары азаяды, ал селективті қабықшалардың негізінде сәулелену әсерінен жылудың жоғалтулары әлдеқайда азаяды сондықтан коллектордың сапасы да жоғары. Вакуумдалған коллектордың көмегімен жарықтасымалдағыштың жылуын 100[0] - қа дейін жеткізуге болады. Коллекторлы жарық қабылдаушы жазықтықтың көлбеу бұрышын еркін түрде вертикаль және горизонталь күйде орнатуға болады. Алайда жазық коллектормен салыстырғанда бағасы жағынан қымбат әрі бұл жүйелерді негізінен жылыту - салқындатумен қаматамасыздандыру жүйелерінде жоғары температуралы жылытуға қолданады [16]. Аталған модификациялардан басқа жылулық түтікті коллекторлар бар. Бұл коллекторда жылу қабылдаушы жазықтық ретінде түтікке бекітілген гофраланған пластина қызмет атқарады. Егер осындай пластиналардың бірнешеуін түтік арқылы біріктіретін болсақ, онда жылулық түтіктерден құралған жазық коллектор шығады. Осы құрылымды вакуумды әйнек түтікке салып, оны гидравликалық коллекторға жалғайтын болса жылулық түтіктің вакуумды түтікті коллектор түрі пайда болады. Жоғарыда қарастырылған коллекторлар жылу таратқыш ретінде суды қолданады, сонымен қатар жылу таратқыш ретінде ауаны пайдаланатын ауа коллекторлары да бар [17].
Жазық күн коллекторы күн энергиясының көмегімен сұйықтықты немесе газды жылытуға арналған жылу алмасу құрылғысы болып табылады. Құрылғының негізгі элементтері: күн радиациясын жұту арқылы жылынып оны таратушы жұмыс құрылғысына жіберуге арналған жазық бет, сәулелену әсерінен жылулық жоғалуды басатын әйнек, корпус және жылулық оқшаулағыш. Коллектордың мүлтіксіздігі оның оптикалық және жылулық пайдалы әрекет коэффициентімен анықталады. Оптикалық ПӘК - і η0 коллектордың әйнектелген бетіне түскен күн радиациясының қанша бөлігі қара түске боялған бетте жұтылғандығын көрсетеді. Сонымен қатар әйнекте жұтылған энергияның жоғалуы да ескеріледі. Бір қабат әйнекпен жабылған коллектордың күн сәулесі қалыпты түскен жағдайда оның беті үшін:
η0=τ⋅α, (2)
мұндағы, τ - әйнектің өткізу коэффициенті; α - беттің сәулені жұту коэффициенті [18].
Жазық концентраторларда күн энергиясы шоғырланусыз жұтылады, ал фокустаушыда шоғырланумен яғни келіп түсетін радиация ағынының тығыздығын арттыру арқылы. Коллекторлар типінен төмен температуралы гелиожүйелерде көп таралғаны күн энергиясының жазық коллекторы болып табылады. Ол ыстық жәшік немесе булану принципі бойынша жұмыс істейді. Жазық коллекторлар күн энергиясынан шыққан инфрақызыл сәулелерден қарағанда жарықты көбірек жібереді. Күн сәулелері коллектор панелінің жоғарғы әйнек немесе полимерлі қабықшасы арқылы жақсы таралады, ол жоғары жарық таратқыш материалдан жасалады және жұту коэффициенті үлкен. Олардың ішіндегі жарық тасымалдаушы түтікшелер осы жазықпен тығыз байланыста болады. Жазық жарық жұтатын бет пен түтіктердің қосындысы жарық тасымалдаушы үшін бір құрылымды элемент - күн радиациясының абсорберін түзеді. Күн сәулесін жақсы жұту үшін абсорбердің үстіңгі беті қара түске боялады немесе арнайы сәулені жақсы өткізетін жабынмен қапталады. Күн энергиясы негізінде қыздырылған абсорбер жылуды коллектордың ішкі жазықтығына таратады. Алайда температура төмен болған жағдайда, әдетте ол инфрақызыл сәулелер, әйнек панель арқылы нашар өтеді. Жылу жоғалтуды азайту үшін коллектордың қабырғасына және астыңғы жазықтықтарына жылуды сақтап тұрушы қалың қабат орнатылады [19]
Соңғы кездері көптеген коллекторлардың жылу қабылдағыш панельдері күн сәлелерінің жұтылуын жақсартып, сәулелену әсерінен жылу шығынын азайту мақсатында селективті - жұтатын қабықшалармен қамтамасыздандырылған. Осының арқасында коллектордың пайдалы әрекет коэффициенті айтарлықтай артқан. Кез келген физикалық денеде өзінің абсолютті Т температурасы қоршаған ортаға жылу таратады, таралған жылудың мөлшері дененің ε сәулелену коэффициентіне тура пропорционал. Абсолют қара дененің сәулелену коэффициенті 1-ге тең, ал бұл коэффициент қара түсті бояу үшін 1-ге жуық. Күн панелінің жылыну мөлшеріне қарай жылулық тарату негізінде жоғалатын жылу көлемі де артады, соның арқасында жылуды қабылдау коэффициенті де төмендейді. Алайда егер мыстан немесе алюминиден жасалған пластинаның бетін тегістесе кез келген температурада қара денеден таралатын жылудың 110 бөлігі ғана жоғалады әрі сәулелену коэффициентінің мөлшері де аз болады, шамамен 0,1.
Коллектордың күн сәулесін қабылдап алып оны пайдалы қолдану қабілеттілігі коллектордың эффективтілігі немесе пайдалы әрекет коэффициенті ұғымы негізінде түсіндіріледі. Коллектордың пайдалы әрекет коэффициенті деп коллекторға келіп түскен толық сәулеге нақты алынған сәуленің қатынасымен анықталатын өлшемді айтамыз. Күн энергиясы коллекторының негізгі сипаттамасы ретінде оның жылулық пайдалы әрекет коэффициенті болып саналады, яғни коллекторға түсетін күн энергиясының қаншалықты Qс бөлігі тұтынушыға Qтол. жылу түрінде таралатынын көрсетеді:
ηт=Qжұт.Qc=MTcT(t2-t1)Qс , (3)
мұндағы, Qтол=Qс-Qтол., пайдалы жылу көлемі Qтол. мен Qс қатынасы арқылы анықталады, ол өз кезегінде келесідей формула бойынша анықталады:
Qжұт.=kF(ta-t0), (4)
мұндағы, k - жылу таратудың орташа эффективті коэффициенті; F - жарық беруші беттің ауданы; ta және t0 - абсорбер жазықтығының орташа температурасы, сәйкесінше қоршаған ортаның да температурасы; MТ - күн энергясының коллекторы (КЭК) арқылы жылу тасымалдаушының массалық шығыны; cT - жылу тасымалдаушының шекті жылусыйымдылығы; t1 және t2 - КЭК-тың кірісі мен шығысындағы жылу тасымалдаушы температуралары [20].
Коллектордың оптикалық ηо ПӘК-і коллектордың бетіне келіп түскен күн радициясының қандай бөлігі абсорбцияланғандығын көрсетеді, ηо =(αβ)н. Бұл жерде α әйнегінің өткізу коэффициентін және β абсорбциялаушы жазықтықтың жұту коэффициенті ескерілген.
Жазық күн коллекторларын жылу тасымалдағыштардың жылыту деңгейі 800 - 900 С аспайтын жүйелерде пайдаланады. Ал жоғары температураларда вакуумды коллекторларды қолданады. Әдетте оларда абсорбциялаушы жазықтық қоршаған ортадан вакуумдалған жазықтықпен бөлінгендіктен жылудың қоршаған ортаға таралып кетуін азайтады. Вакуумды коллекторлар жылу тасымалдағыштарды 120 - 1500 С аралығында кейде одан да жоғары температураға дейін қыздыруға мүмкіндік береді. Вакуумды коллектор диаметрі 100 - 150 мм әйнек қораптан тұрады. Оның ішінде селективті жабынмен қапталған сәуле қабылдағыш жазықтықтан және түзу немесе U формадағы жылу тасымалдағыш түтікшелерден тұрады. Әйнек корпус ішіндегі жазықтық қысымы 0,01 - ге дейін вакуумдалады, яғни коллектор ішіндегі конвекция мен жылу өткізгішті толығымен шектейді. Әдетте түтікшелі коллекторлар 10 түтіктен тұратын жекеленген модульдер арқылы жасалады. Вакуумды коллекторлардың жұмыс істеу эффективтілігі абсорбердің селективті бетінің оптикалық қасиетіне байланысты. Жасалуы бойынша селективті жабындар төрт түрлі топқа бөлінеді: меншікті, екі қабатты, микробедерлі және интерференциялық эффектті. Өзіндік жасалуынан оптикалық қасиеті бар материалдар саны негізінен көп емес, осындай қасиеті бар екі қабатты селективті қабықшалы жабындар кеңінен қолданылады. Бетіне ұзын толқынды облыста шағылу коэффициенті үлкен болу үшін мыс, молибден, күміс, алюминий сияқты селективті қасиет беретін металдар салынады [21,22]. Осы қабаттың үстіне ұзын толқынды облыста сәулеленуге арналған мөлдір қабат салынады және спектрдің көрінетін бөлігінде оның жұту коэффициенті үлкен болады. Көптеген оксидтердің осындай қасиеті бар. Екіқабатты селективті бетті алудың қарапайым мысалы ретінде жоғарыда айтылған металдардың тотығуын айтсақ болады. Ең жақсы нәтиже алюминий фольгадағы қара хромды қабықшадан алынған (жұту коэффициенті α=0,96, ал қара дене үшін α=0,07). αε қатынасын селективтілік деңгейі деп атайды, ал αε30 болған жағдайда вакуумды абсорбердің теңмөлшерлі температурасы 350 - 6000 С дейін жетеді. Беттің селективтілігі геометриялық шарттарға да байланысты болады. Ол үшін беттің микроқисық жерлері толқын ұзындығынан спектрдің көрінетін облысында үлкен ал инфрақызыл диапазонда кіші болуы тиіс. Айтылған бет бірінші облыста қара, ал екінші облыс үшін айналы болуы қажет. Интерференциялық селективті беттер металл мен диэлектриктің бірнеше ауыспалы қабаттарынан түзіледі, осы беттерде қысқа толқынды сәулелену интерференция негізінде өшіп, ал ұзын толқынды сәулелер бос шағылады [23].
Гелиожүйелерді екі түрлі тәсіл арқылы басқаруға болады: оптикалық жүйелер арқылы және координаталарды есептеу арқылы. Қабылдағыштың қажетті фокустау дәлдігі 10-3 рад. құрайды. Координаталарды қолдану кезінде басқару есептеуіш машиналар көмегімен іске асырылады. Күннің қозғалу жылдамдығы 20ʺ с. 6 с ішінде Күн 2ʹ жылжиды, осыған сәйкес шағылған сәулелердің бағытын тұрақты сақтау үшін гелиожүйе 1ʹ бұрылуы тиіс. Әрбір 6 с сайын әрбір гелиожүйенің жаңа күйін анықтау үшін барлық гелиожүйелерді орталықтандыру керек. Осындай басқару тәсілі бұлтты күні де Күннің жылжуын басқаруға мүмкіндік береді [24].
2.2 Күн энергиясының концентраторлары
Күн сәулесін энергетикада пайдаланудағы негізгі кемшілік тығыздығы төмен болуына байланысты. Сәулеленуді концентрациялау арқылы осы қиындықты шешуге болады. Концентраторларды пайдалану фотоэлектрлік күн орнатқыштарының энергетикалық эффективтілігін арттырып, экономикалық көрсеткішін жақсарта алады, яғни жартылайөткізгіш материалдар шығынын азайту мүмкіндігі бар. Сонымен қатар бағасы мен салмағы аз әрі сыртқы отра факторлар әсеріне тұрақты болып келеді. Күн элементтерінің модульдерін жарықпен қамтамасыз ету жүйелерінде концентрациялы сәулеленуді қолдану кезінде қойылатын басты талап қабылдағышқа келіп түсетін сәулелік ағынның тең дәрежеде түсуі болып табылады. Осындай ағынды жасау үшін жазық шағылдырғыш бетті - жазық фоклиндер қолданылады. Егер концентраторды құраушы түзу сызық болса, олар бір секциялы деп, ал егер сынған болса көп секциялы деп аталады. Оларда күн сәулесінің концентрациясы айналы бет негізінде көп ретті шағылудың нәтижесінде болады. Бір секциялы жазық жүйелер энергия алу үшін күн сәулесінің концентрациясын 2 - 10 есеге дейін үлкейтіп, осындай мөлшерге дейін жартылайөткізгіш элементтер ауданын азайта алады. Осы мақсатта фокустаушы коллекторлы жүйелер де қолданылады. Бұл жүйелерде күн элементтеріне фокустаушы линзалар және шағылдырғыштар қолданылады. Құрылғылардың жұмыс істеу сипаттамалары әр түрлі, жазық жүйе қолайсыз ауа райында да эффективті, ал ал фокустаушы жүйелердің эффективтілігі жоғары болу үшін күн сәулесі тура түсуі қажет [25]. Бірақ бұл жүйелердің концентрациялау деңгейі жоғары. Фокустаушы жүйенің кемшіліктерінің орнын эффективтілігі жоғары ПӘК-і 20-26% құрайтын монокристалды кремниден және арсенид галиден жасалған күн элементтерімен толықтыруға болады.
Концентрациялаушы жүйелерді қолдану күн электр станцияларының бағасын төмендетуге мүмкіндік береді. Себебі күн элементтерімен салыстырғанда концентраторлардың бағасы арзан әрі оларды станцияларда пайдалану арқылы фотоэнергетикалық құралғыларда үнемдеуге болады.
Концентратор - бұл күн энергиясын үлкен ауданннан жинап, осы жиналған энергияны аз ауданға бағыттауға арналған құрылғы. Қазіргі таңда концентраторлар параболалық айналар және Френель линзалары негізінде жасалған. Осы түрлерінен басқа құрылымы жағынан концентрациялау деңгейі әр түрлі жүйедегі айналардың түрлері бар, бірақ олардың өзіндік кемшіліктері болғандықтан кеңінен таралмаған. Алайда жоғарыда айтылған концентраторлардың да кемшіліктері бар. Параболалық айналар көлемі жағынан үлкен және құрылымының негізінде салмағы да өте ауыр. Оларды кішірейту мүмкіндігі жоқ сол себепті бүліну қаупі де жоғары. Сонымен қатар олар салқындату жүйесін және күнге қарай тура бағыттауды қажет етеді, егер бұл шарттар орындалмаса құрылғының эффективтілігі нашарлайды. Френель линзаларының қалыңдығы бұл құрылғымен салыстырғанда жұқарақ, бірақ одан қарағанда қуатты салқындатқышты, нақты бағыттауды қажет етеді әрі бағасы жағынан қымбатырақ. Осы мәселелерді шешу үшін акрилды концентратор қолданған жөн. Оның құрылымының көп бөлігі қалыңдығы 1 сантиметр болатын оргәйнектен, жарықшағылдырғыш беттен, бір - біріне қиғаштап орналасқан және ортасындағы саңылауы арнайы желіммен толтырылған екі сынадан тұрады. Есептелген сипаттамаларының арқасында концентратор күн энергиясын толық беті арқылы қабылдап, оны құрылғының қабылдағыш бетінен бірнеше есе кіші фотоэлементтер орналасқан шетке бағыттайды. Концентратор күн сәулесін 7 есе концентрлеуге мүмкіндік береді. Соның нәтижесінде ПӘК-і 75%-ға дейін артады. Концентратордың салмағы мен көлемі жағынан ыңғайсыздықтар тудырмайды, күнге бағытталу диаграммасы үлкен және пассивті радиаторлардың арқасында қуатты салқындату жүйелерін қажет етпейді. Төменде акрилды концентратордың сыртқы келбеті көрсетілген (сурет 5).
Сурет 5. Акрилды концентратордың сыртқы келбеті [26]
Бәсекелестікке қабілетті артықшылықтары:
1) Ауыр және массивті айналармен, қарапайым күн панельдерімен салыстырғанда көлемі мен салмағы аз;
2) Концентратордың жазық формасы мен қиғаш бұрышының арқасында жаз мезгілінде конденсат, ал қыс мезгілінде қар жиналмайды;
3) Күнге бағытталу диаграммасы үлкен;
4) Қуатты салқындату жүйелерін қажет етпейді, осының негізінде жүйенің бағасы арзан әрі сенімділігі жоғары.
2.3 Күн энергиясының трекері
Күн трекері - күн бағытымен қозғалу мүмкіндігі бар, яғни күн шығыстан шыққаннан бастап батыста батқанға дейін күнді бақылай алатын техникалық құрылғы. Күн қайталағышы күннің бағытымен бұрылатынын ескере отырып, күн панельдері толық бір күннің ішінде күнге тура бағытталып орнатылған, осылайша олардың қуаты әлдеқайда үлкен болады [27].
Трекер типін таңдау көптеген факторларға: элекетрлік параметрлерге, жердің шектеулеріне, кеңістікке, орнату өлшеміне және жергілікті жердің ауа райы жағдайларына байланысты. Осы факторлардың негізінде күн трекерлері бірнеше топтарға топтастырылған.
1) Бір осьті айналу трекерлері
Бір осьті трекерлердің айналу осьі қызметін бір бос деңгейлі трекерлер атқарады. Ережеге сәйкес, бір осьті трекердің айналу осьі Солтүстік меридиан (солтүстік - оңтүстік) осьі бойымен бағытталған. SPA (Solar Position Algorithm) алгоритмдерін қолдана отырып, кез келген координаттағы бағыттарға бағыттауға болады. Бір осьті трекерлердің бірнеше түрі бар: горизонталь ось арқылы айналу (HSAT), вертикаль ось арқылы айналу (VSAT), төмен қарай қиғаш осьпен бағытталған (TSAT) және полярлық оське бағытталған (PSAT).
2) Горизонталь осьпен айналатын трекерлер - Horizontal single axis tracker (HSAT). HSAT трекері үшін айналу осьі жерге қатысты горизонталь орнатылады. HSAT трекерлерінің шеттері өте майысқақ болып келеді. Қарапайым геометрия бойынша барлық айналу осьтері бір - біріне параллель орналасуды талап етеді. Осьтер арасындағы сәйкестендірілген интервал тәулік уақытына, көлеңкеге және жер бедеріне тәуелді электр энергиясының жақсы өндірілуін қамтамасыз етеді (сурет 6).
Сурет 6. Горизонталь осьпен айналатын трекерлер
HSAT трекерлеріндегі горизонталь орналасқан түтіктер пилондарда орнатылған подшипниктарға тіреліп орналасады. Түтіктердің осьтері солтүстік - оңтүстікке қарай бағытталған. Панельдер түтікке бекітілген, ал түтік өз осьі бойынша айналып күндізгі уақытта күннің қозғалысын бақылап отырады [28].
3) Вертикаль осьпен айналатын трекерлер - Vertical single axis tracker (VSAT). VSAT трекерлері үшін айналу осьі жерге қатысты вертикаль орнатылады. Бұл трекерлер күні бойы шығыстан батысқа қарай айналады. HSAT трекерлерімен салыстырғанда VSAT трекерлерін жоғарғы кеңістікте пайдаланғанда эффективтілігі жоғары болып келеді. Трекерлер орнатылған кезде артық энергияның жоғалуын болдырмау мақсатында көрші орналасқан трекерлерден көлеңке түспеуді қамтамасыз еткен жөн. Әдетте VSAT трекерлерінде айналу осьіне қатысты бағытталған бұрышпен оратылған фотоэлементі бар жұмыс беті болады, яғни қиғашталып бекітіледі.
4) Айналу осьі полярлы бағытталған трекерлер - Polar aligned single axis trackers (PASAT). Бұл әдіс ғылыми тұрғыдан белгілі телескопты сүйемелдейтін әдіс болып табылады. PASAT трекерлері Темірқазық жұлдызы арқылы реттеледі, осыған байланысты оларды полярлық ось арқылы түзетілген трекерлер деп атайды [29].
5)Айналу осьінің біреуі қиғашталып орнатылған трекерлер - Tilted single axis tracke(TSAT) деп аталады. Вертикаль және горизонталь айналу осьтері арасындағы трекерлердің барлығы TSAT трекерлері деп аталады (сурет 7).
Сурет 7. Айналу осьінің біреуі қиғашталып орнатылған трекерлер
Әрбір нақты жағдайда PASAT трекерлері үшін қиғашталу бұрышы орнатылу кеңістігіне байланысты. Осы арқылы трекердің айналу осьі Жердің айналу осьімен түзетіледі.
6) Екі айналу осьі бар трекерлер - Dual axis trackers (DAT).
DAT трекерлерінде екі бос деңгейі бар, осы деңгейлер айналу осьі қызметін атқарады. Ереже бойынша бұл осьтердің бір - бірімен байланысы жоқ , бірақ бірігіп жұмыс істейді. Жерге қатысты бекітілген ось негізгі ось ретінде қарастырылады. Ал екінші ось туынды ось ретінде қарастырылуы мүмкін және керісінше. Екі осьті трекерлердің кеңінен таралған бірнеше түрлері бар: TTDAT және AADAT. Олар жерге қатысты негізгі осьінің бағытталуына қарай топталады. DAT трекерлері горизонталь және вертикаль бағыттарда күннің бағытын бақылау мүмкіндігінің арқасында күн энергиясын оптималды түрде қабылдай алады.
7) Жеткізуші бағанада орнатылған екі осьті трекерлер - Tip -- tilt dual axis tracker (TTDAT). TTDAT деп аталу себебі массив панельмен бірге ұзын бағананың соңына орнатылады. Трекердің шығыстан батысқа қарай бұрылуы жоғарғы полюстің айналасындағы массивтің бұрылуымен басқарылады. TTDAT трекерлерінің шеттері өте майысқақ болып келеді. Геометриялық ережеге сай барлық айналу осьтері бір - біріне параллель орналасуды талап етеді. TTDAT трекерлерінің айналу осьтері солтүстік меридиан немесе шығыс - батыс кеңістігінің сызығы бойынша реттеледі (сурет 8).
Трекердің типін таңдау көптеген факторларға, соның ішінде, орнату өлшеміне, электрлік нормаларға, жердің шектеулеріне, кеңістікке және жергілікті ауа райы шарттарына байланысты.
Сурет 8. TTDAT трекері
8) Екі айналу осьті және тірек тығыздықты трекерлер - Azimuth-altitude dual axis tracker (AADAT). AADAT трекерлерінде басты ось - вертикаль ось. Олар TTDAT трекерлеріне ұсқас, бірақ массивті бұру әдісі арқылы ерекшеленеді. Бағананың жоғарғы полюсінің айналасындағы айналмалы массивтің орнына AADAT жүйелері жерде немесе платформада орнатылған үлкен сақинаны пайдаланады. Жүйе толығымен дөңгелектерге немесе бір ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті
Физика-техникалық факультеті
Қатты дене физикасы және бейсызық физика кафедрасы
Қорғауға жіберілді
____________________ҚДФжБФ кафедра меңгерушісі Приходько О.Ю.
ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС
Тақырыбы: ARDUINO МИКРОКОНТРОЛЛЕРІН ПАЙДАЛАНЫП КҮН ТРЕКЕРІН ЖАСАУ
5В071900 - Радиотехника, электроника және телекоммуникациялар мамандығы
Орындаған Кеңесхан Ұ.Қ.
Ғылыми жетекшісі
PHD доктор Темирбаев А.А.
Норма бақылаушы Хамзина А.Г.
Алматы 2014
Реферат
Дипломдық жұмыс 49 беттен, 36 суреттен, 36 қолданылған әдебиетттер тізімінен тұрады.
Кілт сөздер: күн трекері, Arduino микроконтроллері, коллектор, концентратор, күн батареясы.
Жұмыстың мақсаты: Күн фотоэлементтерінің қуатын арттыру мақсатында Arduinо микроконтроллерін пайдаланып күн трекерін жасау.
Arduinо микроконтроллерінің негізінде бір осьті күн трекері жасалынды. Күн трекерінің эффективтілігі трекерге жазылған программаға тікелей байланысты.
Реферат
Дипломная работа объемом 49 страниц содержит 36 иллюстрации, 36 наименований используемой литературы.
Перечень ключевых словосочетаний и терминов: солнечный трекер, микроконтроллер Arduino, коллектор, концентратор, солнечная батарея.
Цель дипломной работы: для увеличения мощности солнечных фотоэлементов, с помощью микроконтроллера Arduinо сделать солнечный трекер.
С помощью микроконтроллера Arduinо был сделан одноосьный солнечный трекер. Эффективность солнечного трекера зависит от написанной программы для трекера.
Abstract
The thesis of 49 pages contains 36 illustrations and 36 names of used sources.
A list of key phrases and terms: solar tracker, microcontroller Arduinо, collector, concentrator, solar battery.
Objective: purpose of the thesis: to increase the power of solar cells, using a microcontroller Arduino make solar tracker.
Using Arduino microcontroller was made one axis solar tracker. Performance of solar tracker depends on the written program for the tracker
Анықтама
Күн трекері - күн бағытымен қозғалу мүмкіндігі бар, яғни күн шығыстан шыққаннан бастап батыста батқанға дейін күнді бақылап, күн батареяларынан максималды ПӘК алатын құрылғы.
Arduino микроконтроллері -- негізгі компоненттері қарапайым енгізушығару платасы мен ProcessingWiring тіліндегі өңдеу ортасы болып табылатын аппаратты есептеуіш платформа. Платформа программалау тілінің қарапайымдылығы мен ыңғайлылығына байланысты бүкіл әлемге танымал. Құрылғы USB арқылы программаторлардың көмегінсіз программаланады.
Коллектор - жарық түрінде күннен келетін жылулық энергияны жинайтын құрылғы. Ол күн батареяларына қарағанда электр қуатын шығарудың орнына материалдың қызуын жүзеге асырады.
Концентратор - бұл күн энергиясын үлкен ауданннан жинап, осы жиналған энергияны аз ауданға бағыттауға арналған құрылғы.
Жазық күн коллекторы - күн энергиясының көмегімен сұйықтықты немесе газды жылытуға арналған жылу алмасу құрылғысы болып табылады. Құрылғының негізгі элементтері: күн радиациясын жұту арқылы жылынып оны таратушы жұмыс құрылғысына жіберуге арналған жазық бет, сәулелену әсерінен жылулық жоғалуды басатын әйнек, корпус және жылулық оқшаулағыш.
Френель линзасы - фотоэлектрлік элементтің бетіне түскен күн сәулесін концентрациялау мақсатында қолданылады.
Күн батареясы - бұл фотогальваникалық жүйенің кішкентай құраушы бөлігі.Олар күн немесе фотогальваникалық модульдерді құрасытру үшін бір - бірімен электрлік байланысқан.
Мазмұны
Кіріспе
5
1.
Күн энергиясы ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
6
1.1
Күн радиациясы, оны қолдану ерекшеліктері ... ... ... ... ... .. ... ... ... .
6
1.2
Күн батареяларының жұмыс істеу принципі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
8
2.
Күн радиациясын түрлендіруші техникалық құрылғылар ... ... ... ...
12
2.1
Күн энергиясының коллекторлары ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ..
12
2.2
Күн энергиясының концентраторлары ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
15
2.3
Күн энергиясының трекері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
17
3.
Заманауи микроконтроллерлерге шолу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
25
3.1
Микроконтроллер. Arduino микроконтроллерлер тобына қысқаша шолу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
31
3.2
Arduino платаларын кеңейту ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
32
3.3
Arduino өңдеу ортасы және программалау негіздері ... ... ... ... ... ..
35
4.
Arduino микроконтроллерін пайдаланып күн трекерін жасау ... ...
41
4.1
Бір осьті күн трекерін құрастыру ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .
43
4.2
Трекердің электрондық схемасының ерекшеліктері және оны программалау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
50
4.3
Трекерді тәжірибеден өткізу нәтижелері ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ..
51
Кіріспе
Табиғатты алдауға болмайды, бірақ онымен бір бітімге келуге болады.
А. Эйнштейн
Қоғамның энергиямен қамтамасыз етілуі - ол елдің ғылыми - техникалық озуына, өндіруші күштерінің артуына негіз болады. Энергияның қоғамдық қажеттіліктермен сәйкес келуі экономикамыздың өркендеуінің басты факторы болып табылады. Себебі бүкіләлемдік экономика даму үшін өндірістің энергиямен қамтамасыз етілуі тұрақты түрде өсіп отыруы тиіс әрі болашақта кеңінен пайдаланылатындай болуы шарт. 1973-1974 жж. энергетикалық дағдарыс капиталистік елдерде дәстүрлі энергия көздері (мұнай, көмір, газ) негізінде оған қол жеткізу қиынға соғатынын көрсетті. Дәстүрлі энергияны пайдалану құрылымын ғана емес, енді альтернативті энергия көздерін кеңінен пайдалану қажет. Дәстүрлі емес энергия көздеріне күн, геотермалды және жел энергиясы, сонымен қатар мұхит, биомасса энергиясы т.б. жатады. Әдетте оларға атом энергиясын да жатқызады. Алайда қазіргі таңда атом энергиясының дамуы тек шартты түрде болып отыр. Пайдалы қазбалардан өңделетін отынмен салыстырғанда энергияның дәстүрлі емес формасының геологиялық қоры шектелмеген, яғни осындай энергия көздерін пайдалану қордың сарқылуына әкелмейді. Энергияны пайдалану кез келген іс - әрекеттің іске асуының негізгі қажетті шарты болып табылады. Табиғаттың заңдары бекіткендей қолдануға ыңғайлы энергияны алу үшін алдымен оны басқа формадан түрлендіріп алу қажет. Өкінішке орай, мәңгілік қозғалтқыштардың болуы мүмкін емес, ал энергияға деген қажеттілік жыл санап артуда. Энергияны пайдалану әрбір 30 жыл сайын екі еселенеді және қазіргі таңда шартты түрде алғанда бір жылда пайдаланылатын отынның көлемі миллиард тоннаға жетеді. Бүгінгі таңда дәстүрлі энергия көздері мен оларды пайдалану технологиялары қоғамның энергияны пайдалануында қажетті деңгейін қамтамасыз ету мүмкіндігі жоқ, себебі бұл қалпына келмейтін көздер. Қазірдің өзінде қордың азаюына байланысты кейбір қор көздері өнеркәсіптік өңдеуде пайдалануға жарамсыз болып жатыр, мысалға мұнайды, газды алу қиыншылық тудыруда, ол үшін алыс аймақтарға баруға тура келеді. Қазіргі таңда энергияны пайдалану қарқыны 3...5 %-ды құрап отыр, ал органикалық отын 70 - 150 жылдан соң таусылады деген болжам бар. Энергияны өндіру көлемінің шектелуінің тағы бір себебі, энергетикалық өндіріс орындарының қоқыстары қоршаған ортаға үлкен мөлшерде зиянын тигізуде. Бұл қалдықтардың мөлшері үлкен және құрамында зиянды компоненттері көп. Сонымен қатар қоршаған ортаның жылулық ластануынан Жердің климаты өзгеруде әрі мұздықтар еріп, әлемдік мұхит деңгейі артуда. Осы және басқа да мәселелерді шешу жан - жақты қарастырылуда.
Жоғарыда айтылған мәселелерді шешу жолында дәстүрлі емес энергия көздерін тәжірибе жүзінде пайдалану өзекті болып келеді әрі экологиялық таза яғни қоршаған ортаны ластамайды [1,2].
1. Күн радиациясы
1.1 Күн радиациясы, оны қолдану ерекшеліктері
Қалпына келетін энергия көздері ішінен күн радиациясы ресурстарының көлемі бойынша, экологиялық тазалығы мен таралуы жағынан болашақта кеңінен пайдаланылу мүмкіндігі бар. Тікелей күн сәулесін пайдалану күн энергетикасын кеңінен қолдануға мүмкіндік береді. Егер Жерге түсетін күн сәулесінің 0,5 %-ын пайдалана алатын болсақ, онда ол бүкіләлемдік энергияға деген қажеттіліктерді қамтамасыз етіп, сонымен қатар жүзжылдық пдайдалануға да жетер еді. Алайда осындай үлкен қорды ірі көлемде пайдалану мүмкін емес. Оның басты кедергісі күннің сәулелену интенсивтілігі төмен. Тіпті қолайлы жағдайда да күн сәулесі ағынының тығыздығы 250 Втм[2]. Күн энергиясының қабылдағыштарын барлық жерлерде орната алмаймыз, себебі теңіздер мен мұхиттар (планетамыздың 80% су алып жатыр), таулар, тундралар сонымен қатар кейбір аймақтарда жылына шуақты күндердің аз болуына байланысты. Қиындықтар күн шуағының бірқалыпты таралмауына да байланысты: түнде күн шуағы түспейді және бұлтты кезде қуаты он есеге дейін төмендейді. Осындай жағдайларда электроэнергияның тұрақты өндірілуі мүмкін емес, сол себепті гелиоагрегаттардың мүмкіндіктері мен қабілеттіліктеріне байланысты технологиялық процестерді жетілдірген жөн.
Үлкен өлшемдегі күн коллекторларын қолдану үшін материалдық шығын мөлшері көп болады. Есептеулер бойынша коллекторларды жасауға 1 км[2] ауданға 10[7] кг алюминий қажет, ал қазіргі таңда бұл металдың жалпы қоры 1,17 ⋅10[12]кг. Күн энергетикасын ауқымды түрде пайдалану еңбек ресурсында шикізатты өңдеу, құрылғыларды жасау, оларды орнату және тасымалдауға үлкен мөлшерде материалдық шығындарды қажет етеді. Осыған орай, күн сәулесінен алынатын электр энергиясы бағасы жағынан қымбат болып отыр. Бірақ, өзгелерімен салыстырғанда күн энергетикасын пайдалану экономика жағынан тиімді болып табылады. Үш күннің ішінде ғана Күн жер бетіне барлық пайдалы қазбалар қорынан алынатын энергияны, ал 1 сек. - 170 млрд. Дж. мөлшердегі энергияны жібереді. Бұл энергияның көп бөлігі атмосферада жұтылады немесе сейіледі және оның тек үштен бірі ғана жер бетіне келіп түседі. Осыған қарамастан келіп түсетін энергия басқа энергия көздеріне қарағанда 1600 есе көп энергияны береді. Бір көлге келіп түсетін күн энергиясының қуаты ірі электростанцияның өндіретін қуатына эквивалентті. Күннің 0,0125% энергиясын пайдалану қазіргі таңда бүкіләлемдік энергетиканы қамтамасыз ете алады, ал 0,5% болашақтағы қажеттіліктерді қамтамасыз ету мүмкіндігі бар. Алайда бұл қорды үлкен көлемде пайдаланудың жақын болашақта іске асырылуы екіталай. Бұл энергияның аз ғана бөлігі тәжірибеде қолданылуда [3,4].
Күн сәулесінің энергия көзі болып термоядролық реакция қызмет етіп, әрбір секунд сайын Күнде 6*1011 кг сутегі гелийге айналады. Бұл кезде массаның кемуі 4000 кг құрайды және ол Эйнштейннің E=mc[2] арақатынасына сәйкес 4*1020 Дж энергияның бөлінуіне әкеледі. Бұл энергияның негізгі бөлігі электромагниттік сәуле түрінде 0,2 - 3 мкм диапазонда таралады. Күннің толық массасы 2*10[30]кг болғандықтан, ол 10 млрд.жылдан астам уақыт тұрақты түрде энергия бөлуі тиіс. Бос кеңістікте күн сәулесінің үлкен арақашықтықта таралу интенсивтілігі Жер мен Күннің орташа арақашықтығына тең әрі ол күн тұрақтысы деп аталады. Оның мөлшері - 1353 Втм2 . Күн сәулесінің әлсіреуі атмосфера арқылы өткенде су буының инфрақызыл сәулеленуінен, ультракүлгін сәулелену - озон қабатында жұтылудан, атмосфералық шаңнан және аэрозольдардан болады [5].
Эффективті күн тұрақтысы I0эф Күн мен Жердің арасындағы мезгілдік арақашықтықты ескере отырып, мына формула арқылы есептеледі:
I0эф=I0[1+0.033∙cos(360n365)] (1)
мұндағы n - 1 - қаңтардан бастап саналатын күннің реттік номері.
Күн радиациясының қуаты атмосфера қабаты арқылы өткенде шаңнан, газ молекулалары негізінде жұтылады. Ал түскен энергияның біраз бөлігі космоста шағылады. Шағылған жылудың біраз бөлігі сәуле қандай жазықтыққа түсетініне байланысты. Құрғақ жер үшін бұл бөлік 0,14, қар үшін 0,6 ... 0,9, су беті үшін 0,2
0,78-ге тең және ол күн сәулесінің түсу бұрышына байланысты. Күн энергиясы пайдалануға ыңғайлы, арзан, қоршаған ортаға кері әсерін тигізбейтін, жерге молынан түсетін энергия көзі болып табылады.
Қазіргі таңда күн энергиясын пайдаланудың бірнеше түрлі технологиясы: компьютерлерге арналған шағын қорек блоктары мен жекелеген үй жүйелерінен бастап үлкен көлемдегі күн энергиясын концентрациялаушы жүйелерге дейін жасалып шығарылған. Бұл күн жүйелері халықтың қажеттіліктерін қанағаттандыра алады әрі экологиялық таза энергия болып саналады.
Пайдалану тәсіліне байланысты күн энергиясының активті және пассивті деңгейлері болады. Активті күн энергиясына пайдалануға жарамды түрге түрлендірілген энергияны жатқызады және оны түрлендіруге күн коллекторы қолданылады. Өз кезегінде активті энергия: жылулық және фотогальваникалық күн энергияларына бөлінеді. Жылулық күн энериясы күнді пайдалану арқылы су жылытқыштарда, концентраторларда, пеш сияқты жылыту жүйелерінде қолданылады. Ал фотогальваникалық күн энергиясы электр қуатын генерациялауда қолданылады. Пассивті күн энергиясы архитектуралық жобалауда ғимараттың табиғи материалы немесе құрылымы энергосақтаушы жүйе ретінде пайдаланылған кезде қолданылады [6,7].
Қазіргі таңда бүкіл әлем бойынша альтернативті және қалпына келетін энергия көздеріне үлкен назар аударылуда. Оның ішінде күн энергиясының фотоэлектрлік түрлендіргіштеріне ерекше көңіл бөлінуде, ол бөлек ғылыми бағытқа - фотовольтаикаға негізделген. Фотогальваникалық сөзі жарықтан алынатын электр көзі деген мағынаны білдіреді. Фотогальваникалық жүйелер күн сәулесін электр энергиясына түрлендіру үшін күндізгі жарықты пайдаланады. Күн элементтері - осындай түрлендірулерді іске асыратын әдістердің бірі болып табылады.
Күн элементі - бұл фотогальваникалық жүйенің кішкентай құраушы бөлігі.Олар күн немесе фотогальваникалық модульдерді құрасытру үшін бір - бірімен электрлік байланысқан. Бір - бірімен тізбектей және параллель байланысқан күн элементтері фотогальваникалық модульді қалыптастырады. Фотогальваникалық модульдер әмбебап пайдаланылуымен сипатталады: өлшемі кішкентай, қажетті жерге оңай тасымалданады, генерациялаушы станция ретінде қолданылу мүмкіндігі бар. Төменде күн элементінің құрылымы көрсетілген (сурет 1).
Сурет 1. Күн элементінің құрылымы
1) Күн фотоэлементі көпқабатты материалдардан құралған:
2) Мөлдір әйнектің жабын қабаты сыртқы ортаның әсерлерінен қорғауды қамтамасыз етеді;
3) Мөлдір байланыстырушы зат әйнекті күн фотоэлементінің бетінде ұстап тұруға арналған;
4) Шағылуға қарсы қабат фотоэлементке түсетін жарықтың максималды түрде жұтылуын және жарықтың шағылуынының алдын алады;
5) Алдыңғы байланыс қабаты электр тогын өткізеді;
6) Жұқа n-типті жартылайөткізгіш қабат фосфор қоспасы мен кремниден жасалған;
7) Екінші р-типті жұқа жартылайөткізгіш қабат кремний мен бор қоспасынан жасалған;
8) Артқы байланыс қабаты электр тогын өткізеді [8].
1.2 Күн батареяларының негізгі жұмыс істеу принципі
Шалаөткізгіш кремнилік күн элементі кеңінен таралған. Ол бір - бірімен тығыз байланыста орнатылған p - және n- типті өткізгішті жартылайөткізгіш қабаттардан тұратын жүйе. Кремнилік пластинаның астыңғы р-типті пластинасында жұқа металдық контактісі бар p - n өткелі орнатылған. Күн элементіне жарық түскенде жұтылған фотондар тепе - теңсіз өлшемдері әр түрлі электронды - кемтікті жұптарды генерациялайды. p - n өткеліне жақын орналасқан р-қабатында генерацияланған электрондар p - n өткеліндегі электр өрісі арқасында тартылып, n- аймағына өтеді. n- қабаттағы пайда болған артық кемтіктер р- қабатқа тасымалданады. Нәтижесінде n- қабатта қосымша теріс заряд, ал р- қабатта - оң зарядтар орналасады. Екі кристалл арасында тығыз механикалық байланыс болған жағдайда атомдар бір - біріне жақындай түседі, фосфор атомдары өзінің артық электрондарын бор атомдарына береді, бор атомдары өз кезегінде электрондарды бірден қабылдап алады. Нәтижесінде кристалдың электрлік теңелуі қалыптасады. Кристалдардың құрылымы өте қатты, сол себепті бір - бірімен тығыз байланысқан атомдар арасында ғана алмасу жүреді. Осындай эффект алу үшін кремниді жоғары температуралы диффузия процесін пайдалана отырып легірлейді. Нәтижесінде әр түрлі қоспалармен легірленген жартылайөткізгіштің бір бөлімінде өте жұқа p - n өткелі деп аталатын аймақ пайда болады. Осы аймақтың ішінде жарықтың электр энергиясына түрлену процесі іске асырылады [9].
Күн элементінің жұмыс істеу принципі қарапайым. Кремнилік күн элементіне жарық түсірген кезде тізбектің қосылу түрі мен типіне тәуелсіз көлемі 0,5 В электрлік кернеуді генерациялайды. Ол негізінен жарықтың интенсивтілігі мен элементтің өлшеміне байланысты. Яғни ауданы 10х10см2 элемент ауданы 5х5см2 элементпен салыстырғанда 4 есеге үлкен токты береді. Ток күші жарықтың толқын ұзындығы мен интенсивтілігіне байланысты және ол сәулелену интенсивтілігіне тура пропорционал. Сәуле жарық болған сайын күн элементінде көбірек ток генерацияланады. Жоғарыда айтылған параметр шегінде ғана пайдаланылатын болса, күн элементтері сирек қолданылатын еді. Бірақ қажеттіліктер туындаған жағдайларда ғана төмен кернеу (0,5 В) қолданылады. Негізінен кернеу бойынша шектеулер жоқ. Күн элементтерінің шығыс сипаттамаларын үлкейту мақсатында тізбектей және параллель қосуға болады. Күн элементтерін қарапайым батарейкалар ретінде қарастыратын болсақ, шамның жарықтылығын арттыру үшін бірнеше батарейкалар қолданылады. Шын мәніне келгенде, батарейкаларды тізбектей жалғаған кезде кернеу толығымен артады (сурет 2).
Сурет 2. Батарейкаларды тізбектей жалғау үлгісі
Осындай жағдайды күн элементтеріне де қолдануға болады. Бір элементтің оң шығысын екінші элементтің теріс шығысына жалғау арқылы көлемі 1 В кернеу алуға болады. Осындай байланыстыру арқылы үш элементтен 1,5 В, ал төрт элементтен 4 В т.с.с. Теория жүзінде қарастырсақ, шартты түрде тізбектей байланысқан күн элементтерінің кернеуі мың вольтқа дейін жетеді. Бірақ шығыс токты арттыруда тізбектей байланыстырудың өзіндік кемшіліктері бар. Қорек көздерін тізбектей жалғау кезінде тізбектегі төмен элементтің сипатына байланысты шығыс ток деңгейден асып кете алмайды. Яғни 2-амперлі күн элементінен жасалған тізбекте тізбектегі 1-амперлі элемент толық шығыс токтың көлемін анықтайды. Сәйкесінше сипаттамалары максималды болу үшін, тізбектегі барлық элементтердің токтарын сәйкестендіріп алу керек.
Шығыс тогы элемент бетінің ауданына байланысты, осыған орай токты күшейтудің қарапайым жолы - ол элементтің немесе элементтердің ауданын үлкейту болып табылады (сурет 3).
Сурет 3. Батарейкаларды параллель жалғау үлгісі
Параллельді байланыс кезінде кернеу емес тек токтың көлемі ғана артады. Параллельді байланысқан элементтердің генерациялаушы кернеуі 0,5 В - тан аспайды, ол элементтер санына тәуелсіз. Екі түрлі байланыс тәсілдерінің артықшылықтарын пайдалана отырып, элементтердің тізбектей және параллель байланысын біріктіруге болады. Осындай түрдегі байланыс батарея деп аталады. Батареяларды кез келген комбинация бойынша құрастыруға болады. Орналасуына тәуелсіз элементтердің шығыс сипаттамалары бірдей болады. Мысалға, жекелеген элементтердің қысқаша тұйықталуын болдырмау үшін тізбектелген элементтерден құралған тізбекті параллель жалғайды (сурет 4, а). Ал 4, б-суретте элементтердің параллельді - тізбектей жалғануы көрсетілген. Бұл байланыс егер элементте жарық пайда болған жағдайда тізбек толығымен жұмыс істеуден шықпас үшін қолданылады. Басқа да байланыс типтерін қолдануға болады, ол құрылғының нақты жұмыс істеу мүмкіндіктеріне байланысты [10,11].
Сурет 4, а . Тізбектелген элементтерді параллель жалғау
Сурет 4, б. Параллельді тізбектей жалғау
p - n өткелі электрондардың қозғалысы үшін айтарлықтай үлкен бөгет болып табылады, бірақ бұл бөгеттен өту мүмкін емес деген мағынада емес. Фотоннан алатын энергия электронға бөгеттен өтіп кемтікке қосылу үшін көп жағдайда жеткіліксіз. p - n өткелінің әдеттегі өткелі 600 мВ (0,6 В) құрайды. Энергиясы 600 мВ электрондар көтеріліп осы қабырғада жұтылуы мүмкін. Сәйкесінше, күн элементінің максималды өндіретін кернеуі 600 мВ, бірақ ол күн элементінің құрылымы мен жартылай өткізгіш материалдың типіне байланысты [11].
Әдетте жер бетіне келіп түсетін күн сәулесінің отраша интенсивтілігін 100 мВтсм[2] деп қабылдау негізделген. Өлшемі 10х10см2 күн элементі теориялық тұрғыдан алғанда 10 Вт қуатты генерациялауы тиіс. Алайда, ешбір күн элементі осындай қуатты генерациялай алмайды: әрдайым жоғалтулар болады. Қазіргі таңға дейінгі ең үлкен эффективтілік (пайдалы әрекет коэффициенті) 30 % құрайды. Қарапайым кремнилік күн элементінің ПӘК - і 10 - 13%. Ауданы 100 см2 элемент 1 Вт-қа жуық қуатты генерациялау мүмкіндігі бар [12]. Күн элементінің ПӘК - і көптеген себептерге байланысты, соның ішінде көп әсер ететін ол қоршаған ортаның температурасының өзгеруі болып табылады. Температура үлкейген сайын кристалдың торы қозып, ондағы атомдар жылдамырақ қозғала бастайды. Ол өз кезегінде құрылым ішіндегі электрондардың энергетикалық деңгейінің артуына ықпал етеді. Электрондардың энергетикалық деңгейі толығымен артқан кезде олардың көп бөлігінде p - n өткелінің тосқауылынан өту қабілеттілігі артып, жартылайөткізгіште рекомбинация бірден жоғарылайды. Бұл жағдайда торлы коллекторларға жеткен электрондар саны кеміп, жүктемедегі электрлік ток төмендейді. Төменгі температура фотоэффектінің күшеюіне әсер етеді [13,14].
2. Күн радиациясын түрлендіруші техникалық құрылғылар
2. 1 Күн энергиясының коллекторлары
Күн жүйелерін тұрмыста пайдалану құрылғыларында коллектор маңызды жұмыс элементі болып табылады, себебі бұл құрылғы күн сәулесін қабылдап алып, оны жылуға түрлендіру немесе осы жылуды аралық жылутасымалдағышқа жіберуге арналған. Құрылғы жылуды жылуқолданғыш технологиялық немесе энергетикалық орнатқышқа жібереді. Күн коллекторларының бірнеше түрлері бар. Олардың ішінде жылумен және ыстық сумен қамтамасыз ету жүйелерінде жазық және вакуумды түтікшелі коллекторлар кеңінен қолданылады. Жазық күн коллекторлары өзінің құрылымы мен жұмыс істеуіне байланысты жекеленген элемент болып табылады және олар орнатылған ғимаратқа тәуелсіз. Негізінен бойлық және көлденең өлшемдері 2х1 м, ал қалыңдығы - 10 см болатын жазық коллекторлар қолданылады, оларды зауыттарда өндіреді. Жазық күн коллекторының бетінде мөлдір жабын орналасады, әдетте ол бос кеңістіктен тұратын әйнектен жасалады. Әйнектен жасалған жабын ыстық ауаға қатысты термотұрақты, сонымен қатар мықты әрі сыртқы орта факторларына тұрақты әсер етеді. Осындай әйнек пайдалану ұзақтығына тәуелсіз әрі оның күн сәулесін өткізу коэффициенті жақсы. Жарықты қабылдаушы панельдер әр түрлі материалдардан жасалады. Панель жарықтасымалдаушы түтікшеден және жарықтасымалдаушыға күн сәулесін өткізуші пластинадан тұрады [15]. Жарықтасымалдаушы панельдерді дайындауға алюминий, мыс және тот баспайтын болат қолданылады. Кейбір жағдайларда түтіктерді түтік мыстан, ал пластиналарды алюминиден дайындайды. Вакуумдалған түтікшелі коллектор құрылымының негізі жарыққабылдағыш болып табылады, ол вакуумдалған әйнек түтікке бекітілген селективті - жұтушы қабықшадан тұрады. Вакуум әсерінен жылудың конвективті жоғалтулары азаяды, ал селективті қабықшалардың негізінде сәулелену әсерінен жылудың жоғалтулары әлдеқайда азаяды сондықтан коллектордың сапасы да жоғары. Вакуумдалған коллектордың көмегімен жарықтасымалдағыштың жылуын 100[0] - қа дейін жеткізуге болады. Коллекторлы жарық қабылдаушы жазықтықтың көлбеу бұрышын еркін түрде вертикаль және горизонталь күйде орнатуға болады. Алайда жазық коллектормен салыстырғанда бағасы жағынан қымбат әрі бұл жүйелерді негізінен жылыту - салқындатумен қаматамасыздандыру жүйелерінде жоғары температуралы жылытуға қолданады [16]. Аталған модификациялардан басқа жылулық түтікті коллекторлар бар. Бұл коллекторда жылу қабылдаушы жазықтық ретінде түтікке бекітілген гофраланған пластина қызмет атқарады. Егер осындай пластиналардың бірнешеуін түтік арқылы біріктіретін болсақ, онда жылулық түтіктерден құралған жазық коллектор шығады. Осы құрылымды вакуумды әйнек түтікке салып, оны гидравликалық коллекторға жалғайтын болса жылулық түтіктің вакуумды түтікті коллектор түрі пайда болады. Жоғарыда қарастырылған коллекторлар жылу таратқыш ретінде суды қолданады, сонымен қатар жылу таратқыш ретінде ауаны пайдаланатын ауа коллекторлары да бар [17].
Жазық күн коллекторы күн энергиясының көмегімен сұйықтықты немесе газды жылытуға арналған жылу алмасу құрылғысы болып табылады. Құрылғының негізгі элементтері: күн радиациясын жұту арқылы жылынып оны таратушы жұмыс құрылғысына жіберуге арналған жазық бет, сәулелену әсерінен жылулық жоғалуды басатын әйнек, корпус және жылулық оқшаулағыш. Коллектордың мүлтіксіздігі оның оптикалық және жылулық пайдалы әрекет коэффициентімен анықталады. Оптикалық ПӘК - і η0 коллектордың әйнектелген бетіне түскен күн радиациясының қанша бөлігі қара түске боялған бетте жұтылғандығын көрсетеді. Сонымен қатар әйнекте жұтылған энергияның жоғалуы да ескеріледі. Бір қабат әйнекпен жабылған коллектордың күн сәулесі қалыпты түскен жағдайда оның беті үшін:
η0=τ⋅α, (2)
мұндағы, τ - әйнектің өткізу коэффициенті; α - беттің сәулені жұту коэффициенті [18].
Жазық концентраторларда күн энергиясы шоғырланусыз жұтылады, ал фокустаушыда шоғырланумен яғни келіп түсетін радиация ағынының тығыздығын арттыру арқылы. Коллекторлар типінен төмен температуралы гелиожүйелерде көп таралғаны күн энергиясының жазық коллекторы болып табылады. Ол ыстық жәшік немесе булану принципі бойынша жұмыс істейді. Жазық коллекторлар күн энергиясынан шыққан инфрақызыл сәулелерден қарағанда жарықты көбірек жібереді. Күн сәулелері коллектор панелінің жоғарғы әйнек немесе полимерлі қабықшасы арқылы жақсы таралады, ол жоғары жарық таратқыш материалдан жасалады және жұту коэффициенті үлкен. Олардың ішіндегі жарық тасымалдаушы түтікшелер осы жазықпен тығыз байланыста болады. Жазық жарық жұтатын бет пен түтіктердің қосындысы жарық тасымалдаушы үшін бір құрылымды элемент - күн радиациясының абсорберін түзеді. Күн сәулесін жақсы жұту үшін абсорбердің үстіңгі беті қара түске боялады немесе арнайы сәулені жақсы өткізетін жабынмен қапталады. Күн энергиясы негізінде қыздырылған абсорбер жылуды коллектордың ішкі жазықтығына таратады. Алайда температура төмен болған жағдайда, әдетте ол инфрақызыл сәулелер, әйнек панель арқылы нашар өтеді. Жылу жоғалтуды азайту үшін коллектордың қабырғасына және астыңғы жазықтықтарына жылуды сақтап тұрушы қалың қабат орнатылады [19]
Соңғы кездері көптеген коллекторлардың жылу қабылдағыш панельдері күн сәлелерінің жұтылуын жақсартып, сәулелену әсерінен жылу шығынын азайту мақсатында селективті - жұтатын қабықшалармен қамтамасыздандырылған. Осының арқасында коллектордың пайдалы әрекет коэффициенті айтарлықтай артқан. Кез келген физикалық денеде өзінің абсолютті Т температурасы қоршаған ортаға жылу таратады, таралған жылудың мөлшері дененің ε сәулелену коэффициентіне тура пропорционал. Абсолют қара дененің сәулелену коэффициенті 1-ге тең, ал бұл коэффициент қара түсті бояу үшін 1-ге жуық. Күн панелінің жылыну мөлшеріне қарай жылулық тарату негізінде жоғалатын жылу көлемі де артады, соның арқасында жылуды қабылдау коэффициенті де төмендейді. Алайда егер мыстан немесе алюминиден жасалған пластинаның бетін тегістесе кез келген температурада қара денеден таралатын жылудың 110 бөлігі ғана жоғалады әрі сәулелену коэффициентінің мөлшері де аз болады, шамамен 0,1.
Коллектордың күн сәулесін қабылдап алып оны пайдалы қолдану қабілеттілігі коллектордың эффективтілігі немесе пайдалы әрекет коэффициенті ұғымы негізінде түсіндіріледі. Коллектордың пайдалы әрекет коэффициенті деп коллекторға келіп түскен толық сәулеге нақты алынған сәуленің қатынасымен анықталатын өлшемді айтамыз. Күн энергиясы коллекторының негізгі сипаттамасы ретінде оның жылулық пайдалы әрекет коэффициенті болып саналады, яғни коллекторға түсетін күн энергиясының қаншалықты Qс бөлігі тұтынушыға Qтол. жылу түрінде таралатынын көрсетеді:
ηт=Qжұт.Qc=MTcT(t2-t1)Qс , (3)
мұндағы, Qтол=Qс-Qтол., пайдалы жылу көлемі Qтол. мен Qс қатынасы арқылы анықталады, ол өз кезегінде келесідей формула бойынша анықталады:
Qжұт.=kF(ta-t0), (4)
мұндағы, k - жылу таратудың орташа эффективті коэффициенті; F - жарық беруші беттің ауданы; ta және t0 - абсорбер жазықтығының орташа температурасы, сәйкесінше қоршаған ортаның да температурасы; MТ - күн энергясының коллекторы (КЭК) арқылы жылу тасымалдаушының массалық шығыны; cT - жылу тасымалдаушының шекті жылусыйымдылығы; t1 және t2 - КЭК-тың кірісі мен шығысындағы жылу тасымалдаушы температуралары [20].
Коллектордың оптикалық ηо ПӘК-і коллектордың бетіне келіп түскен күн радициясының қандай бөлігі абсорбцияланғандығын көрсетеді, ηо =(αβ)н. Бұл жерде α әйнегінің өткізу коэффициентін және β абсорбциялаушы жазықтықтың жұту коэффициенті ескерілген.
Жазық күн коллекторларын жылу тасымалдағыштардың жылыту деңгейі 800 - 900 С аспайтын жүйелерде пайдаланады. Ал жоғары температураларда вакуумды коллекторларды қолданады. Әдетте оларда абсорбциялаушы жазықтық қоршаған ортадан вакуумдалған жазықтықпен бөлінгендіктен жылудың қоршаған ортаға таралып кетуін азайтады. Вакуумды коллекторлар жылу тасымалдағыштарды 120 - 1500 С аралығында кейде одан да жоғары температураға дейін қыздыруға мүмкіндік береді. Вакуумды коллектор диаметрі 100 - 150 мм әйнек қораптан тұрады. Оның ішінде селективті жабынмен қапталған сәуле қабылдағыш жазықтықтан және түзу немесе U формадағы жылу тасымалдағыш түтікшелерден тұрады. Әйнек корпус ішіндегі жазықтық қысымы 0,01 - ге дейін вакуумдалады, яғни коллектор ішіндегі конвекция мен жылу өткізгішті толығымен шектейді. Әдетте түтікшелі коллекторлар 10 түтіктен тұратын жекеленген модульдер арқылы жасалады. Вакуумды коллекторлардың жұмыс істеу эффективтілігі абсорбердің селективті бетінің оптикалық қасиетіне байланысты. Жасалуы бойынша селективті жабындар төрт түрлі топқа бөлінеді: меншікті, екі қабатты, микробедерлі және интерференциялық эффектті. Өзіндік жасалуынан оптикалық қасиеті бар материалдар саны негізінен көп емес, осындай қасиеті бар екі қабатты селективті қабықшалы жабындар кеңінен қолданылады. Бетіне ұзын толқынды облыста шағылу коэффициенті үлкен болу үшін мыс, молибден, күміс, алюминий сияқты селективті қасиет беретін металдар салынады [21,22]. Осы қабаттың үстіне ұзын толқынды облыста сәулеленуге арналған мөлдір қабат салынады және спектрдің көрінетін бөлігінде оның жұту коэффициенті үлкен болады. Көптеген оксидтердің осындай қасиеті бар. Екіқабатты селективті бетті алудың қарапайым мысалы ретінде жоғарыда айтылған металдардың тотығуын айтсақ болады. Ең жақсы нәтиже алюминий фольгадағы қара хромды қабықшадан алынған (жұту коэффициенті α=0,96, ал қара дене үшін α=0,07). αε қатынасын селективтілік деңгейі деп атайды, ал αε30 болған жағдайда вакуумды абсорбердің теңмөлшерлі температурасы 350 - 6000 С дейін жетеді. Беттің селективтілігі геометриялық шарттарға да байланысты болады. Ол үшін беттің микроқисық жерлері толқын ұзындығынан спектрдің көрінетін облысында үлкен ал инфрақызыл диапазонда кіші болуы тиіс. Айтылған бет бірінші облыста қара, ал екінші облыс үшін айналы болуы қажет. Интерференциялық селективті беттер металл мен диэлектриктің бірнеше ауыспалы қабаттарынан түзіледі, осы беттерде қысқа толқынды сәулелену интерференция негізінде өшіп, ал ұзын толқынды сәулелер бос шағылады [23].
Гелиожүйелерді екі түрлі тәсіл арқылы басқаруға болады: оптикалық жүйелер арқылы және координаталарды есептеу арқылы. Қабылдағыштың қажетті фокустау дәлдігі 10-3 рад. құрайды. Координаталарды қолдану кезінде басқару есептеуіш машиналар көмегімен іске асырылады. Күннің қозғалу жылдамдығы 20ʺ с. 6 с ішінде Күн 2ʹ жылжиды, осыған сәйкес шағылған сәулелердің бағытын тұрақты сақтау үшін гелиожүйе 1ʹ бұрылуы тиіс. Әрбір 6 с сайын әрбір гелиожүйенің жаңа күйін анықтау үшін барлық гелиожүйелерді орталықтандыру керек. Осындай басқару тәсілі бұлтты күні де Күннің жылжуын басқаруға мүмкіндік береді [24].
2.2 Күн энергиясының концентраторлары
Күн сәулесін энергетикада пайдаланудағы негізгі кемшілік тығыздығы төмен болуына байланысты. Сәулеленуді концентрациялау арқылы осы қиындықты шешуге болады. Концентраторларды пайдалану фотоэлектрлік күн орнатқыштарының энергетикалық эффективтілігін арттырып, экономикалық көрсеткішін жақсарта алады, яғни жартылайөткізгіш материалдар шығынын азайту мүмкіндігі бар. Сонымен қатар бағасы мен салмағы аз әрі сыртқы отра факторлар әсеріне тұрақты болып келеді. Күн элементтерінің модульдерін жарықпен қамтамасыз ету жүйелерінде концентрациялы сәулеленуді қолдану кезінде қойылатын басты талап қабылдағышқа келіп түсетін сәулелік ағынның тең дәрежеде түсуі болып табылады. Осындай ағынды жасау үшін жазық шағылдырғыш бетті - жазық фоклиндер қолданылады. Егер концентраторды құраушы түзу сызық болса, олар бір секциялы деп, ал егер сынған болса көп секциялы деп аталады. Оларда күн сәулесінің концентрациясы айналы бет негізінде көп ретті шағылудың нәтижесінде болады. Бір секциялы жазық жүйелер энергия алу үшін күн сәулесінің концентрациясын 2 - 10 есеге дейін үлкейтіп, осындай мөлшерге дейін жартылайөткізгіш элементтер ауданын азайта алады. Осы мақсатта фокустаушы коллекторлы жүйелер де қолданылады. Бұл жүйелерде күн элементтеріне фокустаушы линзалар және шағылдырғыштар қолданылады. Құрылғылардың жұмыс істеу сипаттамалары әр түрлі, жазық жүйе қолайсыз ауа райында да эффективті, ал ал фокустаушы жүйелердің эффективтілігі жоғары болу үшін күн сәулесі тура түсуі қажет [25]. Бірақ бұл жүйелердің концентрациялау деңгейі жоғары. Фокустаушы жүйенің кемшіліктерінің орнын эффективтілігі жоғары ПӘК-і 20-26% құрайтын монокристалды кремниден және арсенид галиден жасалған күн элементтерімен толықтыруға болады.
Концентрациялаушы жүйелерді қолдану күн электр станцияларының бағасын төмендетуге мүмкіндік береді. Себебі күн элементтерімен салыстырғанда концентраторлардың бағасы арзан әрі оларды станцияларда пайдалану арқылы фотоэнергетикалық құралғыларда үнемдеуге болады.
Концентратор - бұл күн энергиясын үлкен ауданннан жинап, осы жиналған энергияны аз ауданға бағыттауға арналған құрылғы. Қазіргі таңда концентраторлар параболалық айналар және Френель линзалары негізінде жасалған. Осы түрлерінен басқа құрылымы жағынан концентрациялау деңгейі әр түрлі жүйедегі айналардың түрлері бар, бірақ олардың өзіндік кемшіліктері болғандықтан кеңінен таралмаған. Алайда жоғарыда айтылған концентраторлардың да кемшіліктері бар. Параболалық айналар көлемі жағынан үлкен және құрылымының негізінде салмағы да өте ауыр. Оларды кішірейту мүмкіндігі жоқ сол себепті бүліну қаупі де жоғары. Сонымен қатар олар салқындату жүйесін және күнге қарай тура бағыттауды қажет етеді, егер бұл шарттар орындалмаса құрылғының эффективтілігі нашарлайды. Френель линзаларының қалыңдығы бұл құрылғымен салыстырғанда жұқарақ, бірақ одан қарағанда қуатты салқындатқышты, нақты бағыттауды қажет етеді әрі бағасы жағынан қымбатырақ. Осы мәселелерді шешу үшін акрилды концентратор қолданған жөн. Оның құрылымының көп бөлігі қалыңдығы 1 сантиметр болатын оргәйнектен, жарықшағылдырғыш беттен, бір - біріне қиғаштап орналасқан және ортасындағы саңылауы арнайы желіммен толтырылған екі сынадан тұрады. Есептелген сипаттамаларының арқасында концентратор күн энергиясын толық беті арқылы қабылдап, оны құрылғының қабылдағыш бетінен бірнеше есе кіші фотоэлементтер орналасқан шетке бағыттайды. Концентратор күн сәулесін 7 есе концентрлеуге мүмкіндік береді. Соның нәтижесінде ПӘК-і 75%-ға дейін артады. Концентратордың салмағы мен көлемі жағынан ыңғайсыздықтар тудырмайды, күнге бағытталу диаграммасы үлкен және пассивті радиаторлардың арқасында қуатты салқындату жүйелерін қажет етпейді. Төменде акрилды концентратордың сыртқы келбеті көрсетілген (сурет 5).
Сурет 5. Акрилды концентратордың сыртқы келбеті [26]
Бәсекелестікке қабілетті артықшылықтары:
1) Ауыр және массивті айналармен, қарапайым күн панельдерімен салыстырғанда көлемі мен салмағы аз;
2) Концентратордың жазық формасы мен қиғаш бұрышының арқасында жаз мезгілінде конденсат, ал қыс мезгілінде қар жиналмайды;
3) Күнге бағытталу диаграммасы үлкен;
4) Қуатты салқындату жүйелерін қажет етпейді, осының негізінде жүйенің бағасы арзан әрі сенімділігі жоғары.
2.3 Күн энергиясының трекері
Күн трекері - күн бағытымен қозғалу мүмкіндігі бар, яғни күн шығыстан шыққаннан бастап батыста батқанға дейін күнді бақылай алатын техникалық құрылғы. Күн қайталағышы күннің бағытымен бұрылатынын ескере отырып, күн панельдері толық бір күннің ішінде күнге тура бағытталып орнатылған, осылайша олардың қуаты әлдеқайда үлкен болады [27].
Трекер типін таңдау көптеген факторларға: элекетрлік параметрлерге, жердің шектеулеріне, кеңістікке, орнату өлшеміне және жергілікті жердің ауа райы жағдайларына байланысты. Осы факторлардың негізінде күн трекерлері бірнеше топтарға топтастырылған.
1) Бір осьті айналу трекерлері
Бір осьті трекерлердің айналу осьі қызметін бір бос деңгейлі трекерлер атқарады. Ережеге сәйкес, бір осьті трекердің айналу осьі Солтүстік меридиан (солтүстік - оңтүстік) осьі бойымен бағытталған. SPA (Solar Position Algorithm) алгоритмдерін қолдана отырып, кез келген координаттағы бағыттарға бағыттауға болады. Бір осьті трекерлердің бірнеше түрі бар: горизонталь ось арқылы айналу (HSAT), вертикаль ось арқылы айналу (VSAT), төмен қарай қиғаш осьпен бағытталған (TSAT) және полярлық оське бағытталған (PSAT).
2) Горизонталь осьпен айналатын трекерлер - Horizontal single axis tracker (HSAT). HSAT трекері үшін айналу осьі жерге қатысты горизонталь орнатылады. HSAT трекерлерінің шеттері өте майысқақ болып келеді. Қарапайым геометрия бойынша барлық айналу осьтері бір - біріне параллель орналасуды талап етеді. Осьтер арасындағы сәйкестендірілген интервал тәулік уақытына, көлеңкеге және жер бедеріне тәуелді электр энергиясының жақсы өндірілуін қамтамасыз етеді (сурет 6).
Сурет 6. Горизонталь осьпен айналатын трекерлер
HSAT трекерлеріндегі горизонталь орналасқан түтіктер пилондарда орнатылған подшипниктарға тіреліп орналасады. Түтіктердің осьтері солтүстік - оңтүстікке қарай бағытталған. Панельдер түтікке бекітілген, ал түтік өз осьі бойынша айналып күндізгі уақытта күннің қозғалысын бақылап отырады [28].
3) Вертикаль осьпен айналатын трекерлер - Vertical single axis tracker (VSAT). VSAT трекерлері үшін айналу осьі жерге қатысты вертикаль орнатылады. Бұл трекерлер күні бойы шығыстан батысқа қарай айналады. HSAT трекерлерімен салыстырғанда VSAT трекерлерін жоғарғы кеңістікте пайдаланғанда эффективтілігі жоғары болып келеді. Трекерлер орнатылған кезде артық энергияның жоғалуын болдырмау мақсатында көрші орналасқан трекерлерден көлеңке түспеуді қамтамасыз еткен жөн. Әдетте VSAT трекерлерінде айналу осьіне қатысты бағытталған бұрышпен оратылған фотоэлементі бар жұмыс беті болады, яғни қиғашталып бекітіледі.
4) Айналу осьі полярлы бағытталған трекерлер - Polar aligned single axis trackers (PASAT). Бұл әдіс ғылыми тұрғыдан белгілі телескопты сүйемелдейтін әдіс болып табылады. PASAT трекерлері Темірқазық жұлдызы арқылы реттеледі, осыған байланысты оларды полярлық ось арқылы түзетілген трекерлер деп атайды [29].
5)Айналу осьінің біреуі қиғашталып орнатылған трекерлер - Tilted single axis tracke(TSAT) деп аталады. Вертикаль және горизонталь айналу осьтері арасындағы трекерлердің барлығы TSAT трекерлері деп аталады (сурет 7).
Сурет 7. Айналу осьінің біреуі қиғашталып орнатылған трекерлер
Әрбір нақты жағдайда PASAT трекерлері үшін қиғашталу бұрышы орнатылу кеңістігіне байланысты. Осы арқылы трекердің айналу осьі Жердің айналу осьімен түзетіледі.
6) Екі айналу осьі бар трекерлер - Dual axis trackers (DAT).
DAT трекерлерінде екі бос деңгейі бар, осы деңгейлер айналу осьі қызметін атқарады. Ереже бойынша бұл осьтердің бір - бірімен байланысы жоқ , бірақ бірігіп жұмыс істейді. Жерге қатысты бекітілген ось негізгі ось ретінде қарастырылады. Ал екінші ось туынды ось ретінде қарастырылуы мүмкін және керісінше. Екі осьті трекерлердің кеңінен таралған бірнеше түрлері бар: TTDAT және AADAT. Олар жерге қатысты негізгі осьінің бағытталуына қарай топталады. DAT трекерлері горизонталь және вертикаль бағыттарда күннің бағытын бақылау мүмкіндігінің арқасында күн энергиясын оптималды түрде қабылдай алады.
7) Жеткізуші бағанада орнатылған екі осьті трекерлер - Tip -- tilt dual axis tracker (TTDAT). TTDAT деп аталу себебі массив панельмен бірге ұзын бағананың соңына орнатылады. Трекердің шығыстан батысқа қарай бұрылуы жоғарғы полюстің айналасындағы массивтің бұрылуымен басқарылады. TTDAT трекерлерінің шеттері өте майысқақ болып келеді. Геометриялық ережеге сай барлық айналу осьтері бір - біріне параллель орналасуды талап етеді. TTDAT трекерлерінің айналу осьтері солтүстік меридиан немесе шығыс - батыс кеңістігінің сызығы бойынша реттеледі (сурет 8).
Трекердің типін таңдау көптеген факторларға, соның ішінде, орнату өлшеміне, электрлік нормаларға, жердің шектеулеріне, кеңістікке және жергілікті ауа райы шарттарына байланысты.
Сурет 8. TTDAT трекері
8) Екі айналу осьті және тірек тығыздықты трекерлер - Azimuth-altitude dual axis tracker (AADAT). AADAT трекерлерінде басты ось - вертикаль ось. Олар TTDAT трекерлеріне ұсқас, бірақ массивті бұру әдісі арқылы ерекшеленеді. Бағананың жоғарғы полюсінің айналасындағы айналмалы массивтің орнына AADAT жүйелері жерде немесе платформада орнатылған үлкен сақинаны пайдаланады. Жүйе толығымен дөңгелектерге немесе бір ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz