18. Күн энергиясын түрлендіргіш құралдардың жұмыс істеу принциптері.

Дәстүрлі емес энергия көздерін зерттеу, қазіргі таңдағы электроэнергия қажеттілігінің көбеюінен туындап отыр және күн энергиясын электр энергиясына түрлендірудің тиімді тәсілдерінің көп болу себебінен бұл қажеттілікті қанағаттандыруға болады. Күн энергиясын тұрақты жиілікті айнымалы ток пен кернеулі электр энергиясына түрлендіру, негізгі тұтынушылар айнымалы токты қажет ететіндіктен актуалды проблема болып табылады.

Күн батареялары қатты кремний материалынан жасалынады, бұл жер қойнауындағы оттегіден кейін ең көп таралған элементтердің бірі. Фотоэлектрлік станциядағы 1 келі кремний өндіретін энергияның көлемі жылу электр станциясында 75 тонна мұнай жұмсап өндірілген энергиямен пара-пар. Сондықтан кремнийді 21 ғасырдың мұнайы десек те артық айтпаймыз.Күн сәулеленуінен электр энергиясы мен жылу алудың бірнеше әдістері бар. Олар:

1) Электр энергиясын фотоэлементтер көмегімен алу.

2) Күн энергиясын жылу машиналарының көмегі арқылы электр энергиясына айналдыру (Жылу машиналарының түрлері: поршеньдік немесе турбиналық бу машиналары. Стирлинг қозғалтқышы.).

3) Гелиотермальдық энергетика – Күн сәулелерін жұтатын беттің қызуы мен жылудың таралуы және қолданылуы.

4) Термоәуелік электр станциялары (Күн энергиясының турбогенератор арқылы бағытталып отыратын ауа ағыны энергиясына айналуы).

5) Күн аэростаттық электр станциялары (аэростат баллоны ішіндегі су буының аэростат бетіндегі күн сәулесі қызуы салдарынан генерациялануы).

Күн энергиясын электр энергиясына айналдыратын қондырғылардың бірі – Күн батареялары. Күн батареясы немесе фотоэлектрлік генератор – Күн сәулесінің энергиясын электр энергиясына айналдыратын шала өткізгішті фотоэлектрлік түрлендіргіштен (ФЭТ) тұратын ток көзі. Көптеген тізбектей-параллель қосылған ФЭТ-тер Күн батареясын қажетті кернеу және ток күшімен қамтамасыз етеді. Жеке ФЭТ-тің электр қозғаушы күші 0,5-0,55 В-қа тең және ол оның ауданына тәуелсіз (1 см² ауданға келетін қысқа тұйықталу тогының шамасы – 35-40 мА). Күн батареясындағы ток шамасы оның жарықтану жағдайына байланысты. Яғни күн сәулелері Күн батареясы бетіне перпендикуляр түскенде, ол ең үлкен мәніне жетеді. Қазіргі Күн батареяларының пайдалы әсер коэффициенті – 8-10%, олай болса 1 м² ауданға тең келетін қуат шамамен 130 Вт-қа тең. Температура жоғарылаған сайын (25ºС-тан жоғары) ФЭТ-тегі кернеудің төмендеуіне байланысты Күн батареясының пайдалы әсер коэффициенті кеміп, Күн батареяларының жиынтық қуаты ондаған, тіпті жүздеген кВт-қа жетеді. Күн батареяларының өлшемдері әр түрлі болады. Мысалы: микрокалькуляторда орнатылғандарынан бастап, ғимараттар шатырлары мен автокөліктер төбелеріне орнатылатындарына дейінгі өлшемдерде. Сондай-ақ Күн батареялары ғарыш кемелері мен аппараттарында энергиямен жабдықтау жүйесіндегі негізгі электр энергиясының көзі ретінде қолданылады. Ал тұрмыс пен техникада қолданылатын көптеген бұйымдарды – калькулятор, қол сағаты, плеер, фонарь, т.б. токпен қоректендіру көзі де Күн батареялары болып табылатындығы бәрімізге белгілі.

Үлкен өлшемді Күн батареялары Күн коллекторлары сияқты тропикалық және субтропикалық аймақтарда бүгінде кеңінен қолданылуда. Әсіресе, әдістің осы түрі Жерорта теңізі елдерінде көп тараған. Бұл елдерде Күн батареяларын үй шатырларына орналастырады. Ал Испанияда 2007 жылдың наурыз айынан бастап жаңадан салынған үйлер Күн су жылытқыштарымен жабдықтала бастады. Ол ыстық суға деген сұранысты 30%-дан бастап 70%-ға дейін қамтамасыз ете алады.

Тиімділігі жоғары, электрсақтаушы, технико – экономикалық көрсеткіштері жоғары, сонымен қатар қаржылай және материалдық шығындары аз болатын күн энергиясын электр энергиясына түрлендіруші жүйелерді шығаруда көптеген кедергілер туындайды.

Күн модульдері кернеуі 0,5...17 В элементтерден жиналатыны мәлім, сондықтан қажет етілетін кернеу мен қуатына байланысты күн модульдері күн элементтерінің тізбектей және параллель қосылған кез келген санынан құралуы мүмкін.

Қарастырылған көпсатылы түрлендіргіш тізбектей қосылған тұрақты кернеу көздерінен және транзисторлық инвертордан құралған және көпсатылы инвертор шығысына ортақ жүктеме Rж қосылған. (сурет 1) Берілген көпсатылы транзисторлы түрлендіргіш инвертор кернеуі режимінде жұмыс істейді. Жүктемеде барлық кернеу көздері қосылады және көпсатылы кернеу қисығы тұрғызылады.

Көпсатылы транзисторлы инвертор шығысындағы кернеу, транзистордағы кернеудің төмендеуін ескермеген жағдайда, жүктемедегі кернеуге тең болады

Ен = Е1 + Е2 + Е3 +… Еn = .

(1-сурет) шығыс кернеуінің графигінде көрсетілгендей және соңғы формуладан, жүктемеде барлық кернеу көздері қосылатынын және кернеу қисығының формасы синусоида болатынын көреміз. Бұл дегеніміз, берілген көпсатылы транзисторлық инвертор, инвертор кернеуі режимінде жұмыс істейді деген сөз.

Бүкіл әлемде күн элементтерін өндіру технологияларын және олардың көсеткіштік сипаттамаларын арттырудың жұмыстары жүргізілуде.

Күн элементтерінің бағасын төмендетудің бірден бір шешімі жіңішкепленкалы күн элементтерін қолдану болып табылады, бірақ олардың кемшілігі – ПӘК-нің төмен болуы.

Қажет етілетін қуат мөлшерін алу үшін түрлендіргішке күн барареяларын, акумулытор косу аркылы жүзеге асырамыз.

Берілген P2 қуат бойынша инвертордың шығысында қажет Pсб күн батареясының қуатын анықтаймыз, ол үлкен немесе тең, Вт Pм – күн модулінің (элементінің) қуаты.

Күн элементтерін жасауға арналған негізгі материалдардың бірі кремний болып табылады. Кристалл фотоэлементтердің құны 40-50%-ға кремнийден тұрады. Сонымен қатар күн элементтерін өндіру үшін Арсенид галлиі (GaAs) мен Сульфид кадмиінің (CdS) мәні өте зор. Құрастыру типі мен түрі және күн элементтерін жасау үшін қажет негізгі құрамы жасалу технологиясына байланысты болады. Кремнийлік элементтердің негізгі кемшілігі болып монокристаллдарды өндірудің жоғары құндылығы табылады.

Келесі күн батареяларының ұштарындағы номинал кернеуін анықтаймыз:

мұндағы nм – модуль саны;

Uм – бір күн модуліндегі (элементіндегі) номинал кернеу.

Тұтынушыны түнгі уақытта да электр энергиясымен қамтамасыз ету керек болғандықтан, түнде күн батареялары аккумулятормен біріге жұмыс істейді. Ол үшін аккумулятор параметрлерін дұрыс таңдау маңызды.

Қазіргі таңда аккумуляторлар 12 немесе 24В болып шығарылады, сондықтан

Uак = nак * U , (1.4)

Uак = 4 * 24 = 96 ,

мұндағы nак – аккумуляторлар саны,

U – бір аккумулятордағы номинал кернеу мәні.

Ортастатистикалық мәліметтер бойынша, шуақты күндері энергия күн батареяларымен tсб = 10сағ-та алынады, ал тәуліктің қалған tсб = 14сағ-да аккумуляторлар қосылып тұруы қажет. Бұл жағдайда аккумулятор параметрлерін келесідей жағдайда анықтау қажет. Берілген қуат бойынша түрлендіргіштің шығысындағы қажет аккумулятор тоғын анықтаймыз, В

Бірфазалы көпсатылы түрлендіргіш арқылы моделирлеу негізінде келесідей шешім шығаруға болады:

Қарастырылған тұрақты кернеуді айнымалы кернеуге түрлендіруші бірфазалы жүйе жүктемеде сатының өсуіне байланысты синусоидаға жақындайтын сатылы бірфазалы кернеу қисығын алуға мүмкіндік береді.

Алынған гармоникалық құраушылардың анализі түрлендіргіш жүйесінің кернеу қисығы бірдей гармоникалық құраушыға ие болатынын көрсетті.