Бахтияр Б. Т., Бергенжанова Г. Р.

Алматы, Қазақстан Республикасы

ГЕЛИОЖҮЙЕНІҢ ЕКІ АЙНАЛМАЛЫ ТҮРІНІҢ ТЕХНИКАЛЫҚ ЕРЕКШЕЛІКТЕРІ МЕН ЕСЕПТІК ӘДІСТЕМЕСІ

Қазіргі уақытта еліміздің көптеген аймақтарындағы экологиялық жағдайы өте төмен, себебі жылу электр стансаларында және де басқа өндіріс орындарында пайдаланатын қатты және сұйық отындарың жануынан туындайтын қалдықтардың көбейуі ал оның экологияға тигізетін зианды әсері күннен күнге ұлғайып бара жатыр. Сондықтан болашақта жылу және электр энергиясын өндіруде жаңа, экологиялық таза энергия көздерін пайдаланудың қажеттілігі туындап отырғандығы белгілі.

Міне осы тұрғыдан алып қарағанда жоғарыдағы айтылған мәселелерді шешуге күн, жел және жер асты ыстық суларының энергиясын пайдаланудың тиімділігі айқындалып отыр.

Мысалы еліміздің оңтүстік аймақтары үшін күн энергиясын пайдалану өте тиімді, себебі бұл аймақ жер белбеуінің орталық жане оңтүстік ендіктерінде, және де субтропикке ауысу жолағында орналасқан (40 және 50 с.ж.ш.аралығында , батыстан шығысқа 2995 км және солтүстіктен оңтүстікке 1600 км-ге созылып жатыр) .

Сонымен қатар оңтүстік аймақтарда күнің сәулелену ұзақтығы өте жоғары (3100 сағатқа дейін) жалпы сәулеленудің бақыланатын аймақтығы 1900,5 мың. км құрайды.

Сондықтан бұл аймақтарда күн энергиясын түрлендіретін гелиоэнергетикалық жүйелерді пайдалану экологиялық және экономикалық жағынанда өте тиімді.

Күнмен жылыту гелиожүйелері деп жылу көзі ретінде күн радиациясы энергиясын пайдаланатын жүйелерді айтады. Олардың басқа төменгі температуралы жылыту жүйелерінен ерекшелігі ол күн радиациясын ұстауы және оны жылу энергиясына айналдыратын арнайы қондырғыларды қолдануы болып табылады .

Солардың ішіндегі ынталы гелиожүйені пайдаланудың ерекшеліктерін ескерсек, онда Оңтүстік аймақтарда дербес тұтынушыларды жылу және ыстық су мен қамтамасыз ету үшін өте тиімді.

Ынталы гелиожүйенің ерекшеліктеріне тоқталып кетейік.

Ынталы гелиожүйеде –гелиоколлектор және жүйенің тетіктері жылытатын жүйеге яғыни ғимратқа тән емес олар жекеленген өзіндік құрылғы болып табылады.

Ынталы жүйенің негізгі элементтері: күн коллекторы, аккумулятор, жылуалмастырғыштар, қосалқы жылу көздері, сантехникалық тетіктер, таратушы және реттеуші құрылғылар, автоматика жүйесі.

Әрбір нақты жағдайда элементтерді таңдау, құрамы және құрастыру климаттық факторлармен, объектінің түрлерімен, жылу қолдану іретімен, экономикалық көрсеткіштермен анықталады.

Жылу тасымалдағыштар ретінде көбінесе гелиожүйелерде сұйық ( су, этилгликол ерітіндісі, органикалық сұйық) немесе ауа қолданылады. Пайдалынатын көптеген гелиожүйелерде ауаның тығыздығы және жылу сыйымдылығы аз болғандықтан көбінесе сұйық денелерді қолданылады.

Күнмен жылыту жүйелерінде шоғырландырғыш(фокустаушы), жазық немесе басқа пішіндес-типті күн коллекторлдарыда қолданылады.

Ынталы гелиожүйелер әртүрлі белгілері бойынша жіктеледі:

Қызметі жөнінен:

- жылы сумен қамту жүйелері (ЖСҚЖ);

- жылыту жүйелері;

- құрамалы жүйелер;

Қолданылатын жылутасымалдағыш түрі жөнінен:

- сұйық;

- ауа;

жарамдылық мерзімі жөнінен:

- жыл бойғы;

- маусымдық;

техникалық шешімі жөнінен:

- бір айналмалы(контурлы);

- екі айналмалы ;

- көп айналмалы ;

Жоғарыдағы көрсетілген гелиожүйенің техникалық ерекшеліктерін ескере отырып біздің таңдап алған аймақ үшін екі контурлы ынталы гелиожүйенің жұмыс тәртібін және есептемесін қарастыамыз.

Мәжбүр айналмалы жүйелерде коллекторлық контурға сорғы(насос) қосылады, бұл бак-аккумуляторды ғимраттың кез-келген бөлігіне орналастыруға мүмкіндік береді.

Жылу тасымалдағыш қозғалысының бағыты коллекторлардағы табиғи айналым(циркуляцияның) бағытымен сай келуі керек. Сорғы қосу және ажырату коллекторлар мен бактардың шығысында орналасады, температура датчиктерінің көрсетулерін салыстыратын дифференциалдық басқарушы реле түрінде болып келген электронды басқару блогы арқылы іске асырылады.

Сорғы егер коллекторлардағы температура бактағы судың температурасынан жоғары болса қосылады. Коллектор мен бактың арасындағы температураның тұрақты айырымын ұстай отырып сорғының берілуін және айналу жылдамдығын өзгертуге мүмкіндік беретін блоктар бар.

Ыстық сумен қамтамасыз ететін маусымдық гелио жүйелер әдетте бір контурлы және жазғы және аралық айларда, сыртқы ауаның температурасы оң болғанда пайдаланады.Оларға қосымша жылу көзі қажет болады, немесе қызмет көрстілетін объектінің қызметіне және пайдалану шарттарына тәуелді.

1- сурет. Мәжбүр айналдырмалы ыстық сумен қамтамасыз ететін екі айналмалы- контурлы күн жүйесінің сызба нұсқасы

Ғимратты жылытуға аранлаған гелио жүйелер екі контурлы, немесе көбнесе көп контурлы, әртүрлі контурлар үшін әртүрлі контурлар қолданылуы мүмкін (мысалы, гелиоконтурда –қатпайтын сұйықтардың ерітінділері, аралық контурларда –су, ал тұтынушы контурында -ауа).

Ғимараттарды ыстықпен және салқындатуға арналған жыл бойы жұмыс атқаратын құрамалы(комбинациялық)гелио жүйелер көп контурлы болып келеді және жылудың қосымша көзін органикалық отынмен немесе жылу трансформаторы жұмыс істейтін дәстүрлі жылу генераторын қосады.

Күн гелиожүйесінің есептік жұмысын жүргізу үшін күн энергиясының коллектордың бетіне келіп түсетін шамасын анықтау, күн коллекторының орналасу бұрышын және коллектордың орналатырылатын орнаның ендігіне сәйкес Күннің қозғалу траекториясы мен оның уақыт бұрыштарының көрсеткіштерін анықтау қажет.

Гелиожүйенің бетіне түсетін толық күн радияциясы күн дискісінен таралатын, тікелей және аспан бөліктері мен қоршаған ортадағы элементтерден шағылып келіп түсетін шашыранды радияциядан тұрады.

Тік бетке түсетін тура радияция күннің бұрыштық биіктігімен анықталады. Радияцияның барлық түрлері климаттың ауысып отыруына байланысты атмосфераның мөлдірлігінен, бұлттылығынан, ауаның ылғалдылығынан, тәуелді. Сондықтан гелиожүйенің жұмыс мерзімін қамтамасыз ету көбінесе ұзақ мерзімді орташа сипаттамаға негізделеді.

Осындай негізгі сипаттама ретінде көпжылдық, орташа айлық, күндізгі шашыранды және суммарлы радияциялар қолданылады. Күндізгі суммамен осындай радиация ретінде бірлік ауданға бүкіл бір күн бойы түскен радияцияның толық энергиясын анықтайды.

Коллектордың жылу қабылдағыш бетіне түсетін күн радияциясы бірінші контурдаға жылу тасымалдағыш денеге жылу энергиясына түрінде беріледі, содан ол екінші контурдағы суға жылу алмастырғыш арқылы беріледі.

Біз қарастыратын Оңтүстіктегі Арыс стансасы аймағына тұрғызылатын гелиожүйенің есептік жұмыс жүргізу үшін оның орналасқан аймағының климаттық көрсеткіштерін ескереміз. Аймақтың климаттық сипаттамалары 1-кестеде көрсетілген.

1- кесте. Күн радициясының күндізгі уақытта түскен уақыттараның көлденең түсуінің орташа мәндері (МДж/м²)

Аймақ	Айлар
	қаңтар	ақпан	наурыз	Сәуір	мамыр	маусым	шілде	тамыз	қыркүйек	қазан	қараша	желтоқсан
Арыс стансасы	9,9	15,2	20,5	26,2	30,5	32,2	30,7	27,3	22,5	16,8	11,4	8,7

Күн радиациясының көлбеу беттікке Н_Т күндізгі уақытта орташа айлық келіп түсуі:

(1)

мұндағы - горизонтал беттікке қосынды радиацияның күндізгі уақытта орташа айлық келіп түсуі; - горизонтал және көлбеу беттіктерге қосынды радиацияның күндізгі уақытта орташа айлық келіп түсулерінің қатынасы.

анықтау үшін күн радиациясының құраушыларын: тікелей, диффузиялық, шағылып түсуін білу қажет. Диффузиялық сәуле изотропты (яғни аспан кеңістігіне қалыпты таралған) деп болжасақ, онда келесі түрде жазуға болады:

(2)

Мұндағы: H_d - горизонтал беттікке диффузиялық радиацияның күндізгі уақытта орташа айлық келіп түсуі; - горизонтал және көлбеу беттіктерге қосынды радиацияның күндізгі уақытта орташа айлық келіп түсулерінің қатынасы; S – коллектордың горизонтқа көлбеу бұрышы; ρ – жердің шағылысу қабілеттілігі, және ρ қар жабынының ұзақжатыуына байланысты 0,2 – ден 0,7 дейін өзгереді.

Бұл теңдеудің бірінші, екінші және үшінші мүшелері аспан кеңістігінің тікелей және диффузиялық сәулеленуіне және жерден коллектордың бетіне шағылысып сәулеленуіне сәйкесті үлесін көрсетеді.

Диффузиялық радиацияны өлшеуді сирек жүргізетіндіктен, оны күннің қосынды радиациясын өлшеу арқылы жүргізеді. Зеттеу қосынды радиацияда диффузиялық құраушының үлесі бұлтты күндердің көрсеткішіне байланысты болатынын көрсетті.

Бұл жерде - жердің атмосферасының шектігінен тыс горизонтал беттікке радиацияның күндізгі уақытта орташа айлық келіп түсуі. Атмосфералық қабаттан тыс күн радиациясын (күн тұрақтысын) пайдалана отырып, геометриялық тұрғыда есептеледі. Солтүстік ендік үшін мәндері 1 кестеде келтірілген.

(3)

2 кесте - Күндізгі уақытта жер беті атмосферасының шектігінен тыс горизонталды беттікке күн радиациясының орташа айлық келіп түсуі (МДж/м²) , 40-45 ендікте.

Солтүстік ендік	Қаң тар	Ақпан	Наурыз	Сәуір	Мамыр	Маусым	Шілде	Тамыз	Қыркү-к	Қазан	Қараша	Желтоқн
40	15,1	20,3	27,2	34,3	39,3	41,4	40,3	36,2	29,7	22,3	16,3	13,6
45	12,0	17,5	24,8	32,8	38,8	41,3	40,0	35,1	27,7	19,6	13,3	10,6

Теориялық жағынан алып қарағанда атмосфераның өткізгіш қабілеттілігінің функциясы болып табылады. Алайда бұл шаманы горизонтал және көлбеу беттіктерге радиацияның атмосферадан тыс келіп түсулерінің қатынасы анықтауға болады. Оңтүстікке қарай бағытталған беттіктер үшін (4) теңдеуі арқылы табуға болады. Азғана қателігі бар -ның бұл мәндерін, абсолюттік мәні бойынша азимуты 15⁰ аспайтын беттіктер үшін де пайдалануға болады. Оңтүстік бағыттан ауытқу үлкен болғанда есептеу үшін Клейн тәсілін қолдануға болады:

, (4)

мұндағы - батып бара жатқан күннің горизонтал беттікке сағаттық бұрышы; - батып бара жатқан күннің көлбеу беттікке сағаттық бұрышы

келесі формуламен анықталады:

, (5)

мұндағы – күннің иілуі.

Күннің иілуі :

(6)

мұндағы п - жылдың ішіндегі күннің реттілік нөмірі.

Қорытынды

Қарастырылған жұмыс екі контурллы гелоиожүйенің жұмыс тәртібінің ерекшеліктері ескере отырып , коллектордың бетіне түсетін күн энергиясының шамасын анықтауға мүмкіндік береді.

ӘДЕБИЕТ

1. Климотологический справочник СССР: Метереологические данные за отдельные годы. Солнечная радиация и солнечный баланс. Л.: Гидрометеоиздат., 1964.

2. Даффи Д.А., Бекман У.А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. М.: Мир, 1977. 429 с.

3. Системы солнечного тепло- и хладоснабжения/Под ред. Э.В.Сарнацкого, С.А.Чистовича. М.: Стройиздат,1990.

4. Тарнижевский Б.В., Алексеев В.Б., Кабилов З.А., Абуев И.М. Солнечные коллекторы и водонагревательные установки// Теплоэнергетика. 1995. № 6. С. 48-51.