Техника ғылымдарының кандидат, доцент, ХҚТУ профессоры Қойшиева Т

Техника ғылымдарының кандидат, доцент, ХҚТУ профессоры Қойшиева Т.К.

А.Ясауи атындағы ХҚТУ

Магистр-оқытушы Тулентаева Г.С.

А.Ясауи атындағы ХҚТУ

ХҚТУ-нің магистрі Мухиддинова С.М.

А.Ясауи атындағы ХҚТУ

Кун фтоэлектрлік қондырғысының энергетикалық көрсеткіштерінің есебі

Рассчет энергетических показателей солнечно- фотоэлектрической установки

The calculation of the energy indicators of the solar photovoltaic installation

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

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

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

Күн батареялары – күн энергиясын тікелей электр энергиясына айналдыратын жартылай өткізгіш құрылғы. Қазіргі уақытта көбінесе фотоэлектрлік түрлендіргіш кеңінен қолданылады. Фотоэлектрлік түрлендіргіште энергияның бір түрден екінші түрге ауысуы біртекті емес жартылай өткізгіш құрылғыларда күн сәулесінің әсерінен пайда болатын фотовольттық әсерге негізделген.

703solar1

1-сурет. Электр және күн энергиясын өндіру үшін күн қондырғылары

Қазақстан географиялық орналасуы солтүстiк ендiкте жатқанына қарамастан, елдегi күн энергиясының ресурсы қолайлы климаттық жағдайдың арқасында тұрақты, әрi жарамды болып табылады. Зерттеулердiң қорытындысы бойынша елдiң оңтүстiк аудандарындағы күн энергиясының әлеуетi жылына 2500 - 3000 күн сағатқа жетедi. Бұл суды күнмен қыздырғыштарды (СКҚ) және күн батареяларын, атап айтқанда портативті фото электрлік жүйені пайдалануға мүмкіндік береді.

Күн фотоэлектрлік қондырғысының энергетикалық көрсеткіштерінің есептеуіне толталайық.

Қазіргі кездегі физика, жарықты электромагниттік толқындар ретінде қарастырады, оның екі түрлі табиғаты бар. Ол өзін толқын ретінде көрсетеді, және корпускулалық қасиетке ие. Жарық сәуле шығарады және үздіксіз ағынмен емес, ол бөлек, бір-бірімен байланысы жоқ порциялармен немесе толқындық фотондармен таралады.

Әрбір фотон белгілі мөлшердегі энергия тасығыш болып саналады. Фотондар энергия мөлшері бойынша ажыратылады. Энергия мөлшері ең үлкен фотон, бұл толқындық теорияның ең үлкен жиілігімен сипатталатын сәулеленуге сәйкес фотон. [1]

Егер тек көрінетін жарық туралы айтсақ, ең үлкен энергияға күлгін түсті фотондар ие, ал ең кіші фотондар, қызғылт сәуле ағындарының құрамына кіреді.

Фотон энергиясы сәулелену жиілігіне v пропорционал екені анық:

(1.1)

мұндағы - Планк тұрақтысы

Электромагниттік сәулелену шкаласында көрінетін жарық жиіліктері немесе толқын ұзындықтарының арасы өте тар мәнге ие болады: 0,4—0,8 мк. Көрінетін сәулеленудің жартылай өткізгіші бетіне түскенде болатын физикалық құбылыстарды қарастырғанда, әр түрлі энергиялардың фотондар ағыны ретінде қарастыруға болады.

Егер фотондардың ағыны қандай да бір металл бетіне түссе, фотондардың бір бөлігі сонда шағылады, ал қалған бөлігі металлға жұтылады. Жұтылған фотондар өз энергиясын металлдың кристалл торына және бос электрондарға береді де, тордың амплитудалық тербелісін және бос электрондрандың хаостық қозғалыс жылдамдығын жоғарлатады.

1.1-сурет. Металдар мен жартылай өткізгіштердің фотоэффектілік сұлбасы.

Егер фотон энергиясы үлкен болса, онда ол металдан электронды шығарып алуға жеткілікті болады, яғни шығу жұмысына φ қарағанда тең немесе үлкен энергияны қабылдайды. [2]

Бұл құбылыс сыртқы фотоэффект деп аталады. Электронынан айрылған жартылай өткізгіш атомы, электрон зарядына тең дұрыс зарядқа ие болады. Бірақ электроны жоқ атомдағы орынды, көршілес атом электронымен толтырылуы мүмкін.

Бос электрон түзілуінен босаған орын зарядталған бөлшекке теңдей болады, ол кемтік деп аталады. Кемтіктер электр тогының өту процесіне қатысуы мүмкін.

1.2 –сурет. Кең тараған фотоэлементтердің түрлері.

1.3- сурет. Екі жақты фотоэлектрлік модульдер.

Кемтіктер толтырылған аймақта болады, себебі олардың түзілуі тек қана жартылай өткізгіштердің кристалл торларының атомдарында ғана мүмкін.

Бос электрон-кемтік жұбының мөлшері жартылай өткізгіштердің беті жарықтанғанда кенет өсуі мүмкін. Бұл мынамен түсіндіріледі, кейбір фотондардың энергиялары электрондарды атомдардан шығарып алуға және оларды толтырылған аймақтан өткізу аймағына ауыстыруға жеткілікті болады. Бұл құбылыс ішкі фотоэффект деп аталады. [3] Ішкі фотоэффекттің шарты мына теңдеумен анықталады

E_g,

мұндағы Eg - тиым салынған аймақтың ені.

Жартылай өткізгіштің сыртқы фотоэффект құбылысы да бар. Бірақ ол металлдағы жағдайға қарағанда әлдеқайда күрделі сипатқа ие.

2 Фотоэлектрлік батареяның көрсеткіштерін есептеу алгоритмі

Күн фотоэлектрлік батареяның өндіретін электр энергиясының шамасы:

(2.1)

мұндағы Р_шек – шектік қуаты ФЭБ (2.2 -кесте);

Р_с.шек=1000 Вт/м² – шектік қуаттың стандарттық мәні;

h - күн энергиясын түрлендірудің орташа эффектілік мәні;

h_эт – фотоэлектрлік модульдің эталонды ПӘК ;

Е_с –фотоэлектрлік модульдің бетіне түсетін орташа периодты қосынды энергетикалық жарықтануы (2.3 -кесте).

Егер белгілесек:

мұндағы T_к-с-шектік күн-сағат саны;
К_т–түрлендіру коэффициенті,

онда (2.1):

(2.3)

Фотоэлектрлік қондырғының өндіретін энергиясы E_ФЭҚ:

Е_ФЭҚ= Е_ФЭБn , (2.4)

мұндағы n- фотомодулдің саны (2.2 -кесте).

Фотоэлектрлік күн қондырғысымен әрбір айда өндірілген электр энергиясының шамасы 2.1- кесте гистограмма түрінде анықтауға болады.

Болашақта фотоэлектрлік батареяның көрсеткіштерін есептеу алгоритмін Mathcad- қолданбалы бағдарламаның пакетінде жасау.

2.1- кесте.

Әрбір айда ФЭҚ өндірген электр энергиясы E_ФЭҚ.

Энергия өндіргіш

өлшем бірлігі

Ай

Жыл

Фотоэлектрлік қондырғы

E_ФЭ_қ.

кВт*сағ

2.1 Берілген мәліметтер

2.2- кесте.

Фотоэлектрлік батареясының берілген көрсеткіштері

Көрсеткіштері	Белгісі	Өшемі	Нұсқа
Көрсеткіштері	Белгісі	Өшемі	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Фотомодульдің шектік қуаты	P_шек	Вт	25	30	35	40	45	50	60	70	80	90
Фотомодуль саны	n	саны	6	10	16	20	24	30	40	40	50	50

2.2 - кесте жалғасы.

Көрсеткіштері	Белгісі	Өшемі	Нұсқа
Көрсеткіштері	Белгісі	Өшемі	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
Фотомодульдің шектік қуаты	P_шек	Вт	25	30	35	40	45	50	60	70	80	90
Фотомодуль саны	n	саны	6	10	16	20	24	30	40	40	50	50

2.3- кесте.

ФЭҚ орналасқан аймақтың климаттық көрсеткіштері

Нұсқа/ ФЭҚ орны	Жарықтануы ФЭҚ, кВт*сағ/м²	Ай												Жыл
Нұсқа/ ФЭҚ орны	Жарықтануы ФЭҚ, кВт*сағ/м²	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII	Жыл
1	E_c	56,1	77,9	122,5	161,6	187,8	197,7	184,5	189,9	164,0	124,7	80,2	46,9	1593,6
2	E_c	62,0	80,2	103,5	125,0	163,0	184,9	198,1	197,0	161,6	141,7	92,8	61,7	1571,4
3	E_c	20,6	53,0	108,4	127,6	166,3	163,0	167,7	145,0	104,6	60,7	34,8	22,0	1173,7
4	E_c	31,4	46,5	96,5	132,6	186,1	197,7	187,3	172,2	117,4	69,8	36	21	1294,5
5	E_c	102,2	132,7	175,4	149,1	153,7	142,2	136,6	131,5	130,4	124,2	94,8	87,2	1560,2
6	E_c	32,1	45,1	67,5	86,0	100,1	106,1	100,1	87,1	68,5	52,0	37,0	27,7	809,3
7	E_c	16,8	36,9	116,4	127,7	148,1	166,3	163,7	128,6	77,3	36,7	13,5	2,8	1034,6
8	E_c	169,0	171,8	173,0	138,1	127,7	109,6	109,1	121,7	144,1	147,5	130,3	139,5	1681,3
9	E_c	70,6	95,9	142,3	148,1	147,4	142,5	137,6	140,9	120,2	118,0	81,6	69,8	1414,9
10	E_c	31,8	47,2	98,0	134,6	189,0	200,8	190,2	174,9	119,2	70,8	36,5	21,4	1314,4
11	E_c	56,1	77,9	122,5	161,6	187,8	197,7	184,5	189,9	164,0	124,7	80,2	46,9	1593,6
12	E_c	62,0	80,2	103,5	125,0	163,0	184,9	198,1	197,0	161,6	141,7	92,8	61,7	1571,4
13	E_c	20,6	53,0	108,4	127,6	166,3	163,0	167,7	145,0	104,6	60,7	34,8	22,0	1173,7
14	E_c	31,4	46,5	96,5	132,6	186,1	197,7	187,3	172,2	117,4	69,8	36	21	1294,5
15	E_c	102,2	132,7	175,4	149,1	153,7	142,2	136,6	131,5	130,4	124,2	94,8	87,2	1560,2
16	E_c	32,1	45,1	67,5	86,0	100,1	106,1	100,1	87,1	68,5	52,0	37,0	27,7	809,3
17	E_c	16,8	36,9	116,4	127,7	148,1	166,3	163,7	128,6	77,3	36,7	13,5	2,8	1034,6
18	E_c	169,0	171,8	173,0	138,1	127,7	109,6	109,1	121,7	144,1	147,5	130,3	139,5	1681,3
19	E_c	70,6	95,9	142,3	148,1	147,4	142,5	137,6	140,9	120,2	118,0	81,6	69,8	1414,9
20	E_c	31,8	47,2	98,0	134,6	189,0	200,8	190,2	174,9	119,2	70,8	36,5	21,4	1314,4