Фотоэлектрлік жүйе арқылы энергиямен жабдықтау жүйелері

1. Автономды фотоэлектрлік жүйелер (орталықтандырылған электр жабдықтау желісі жоқ жерлерде қолданылады);

2. Құрамалы жүйелер электр энергиясын өндіретін әртүрлі жүйлерден тұрады: фотоэлектрлік станса, жел стансасы немесе дизель майы, табиғи газ отындарын пайдаланатын электр қондырғылары;

3. Жалпы электр желісімен жалғанған электр стансалар жүйесі.

Космостық күн электр станциясының (КЭС) жалпы сұлбасы

 

1968 жылы космостық зерттеулер саласындағы американдық маман Питер Е. Глэйзер (Peter E. Glaser) күн батареяларының ірі панельдерін геостационарлы орбитаға орнатуды, ал олар өндіретін энергияны (5-10 ГВт деңгей) жер бетіне жоғары жиіліктегі сәулеленудің фокусталған шоғырымен жіберіп, кейін оны техникалық жиіліктің тұрақты немесе ауыспалы тоғына түрлендіріп, тұтынушыларға таратуды ұсынды.

Бұндай сұлба геостационарлы орбитадағы күн сәулесінің қарқынды ағынын пайдалануға (~ 1,4 кВт/кв.м.) және алынған энергияны тәуліктің қай кезі болғанына және ауа райына қарамастан жер қабатына үздіксіз жіберуге мүмкіндік береді. Экваториалды жазықтықтың 23,5 град. бұрышты эклиптика жазықтығына табиғи еңістігінің арқасында геостационарлы орбитада орналасқан жерсерігі, осы жерсерігі жердің көлеңкесіне түсетін көктемгі және күзгі күн мен түннің теңесу күндеріне жақын уақыттың шағын кесіндісін қоспағанда, күн радиациясының ағынымен үздіксіз жарықтандырылып тұрады [33,41,44].

Уақыттың осы аралығын нақты болжамдауға болады, ал қосындысында олар жылдың жалпы ұзақтығының 1%-ынан аспайды.

11.12-сурет. Космостық күн электр станциясының (КЭС) жалпы сұлбасы

Космостық күн электростанциясы былайша аталатын геостационарлы орбитаға – 35 800 км радиустағы шеңберлі траекторияға шығарылады. 24 сағат ішінде жерді айналып, станция планетамен синхронды қозғалады және оның үстіңгі қабатының белгілі бір нүктесінде салбырап тұрғандай болады (осындай орбиталарға қазіргі кезде трансляциялық байланыс жерсеріктерін жібереді).

Осындай орбитада тұрған станция, уақыттың 99% астамында күн сәулесімен жарықтанады. Станцияның фотоэлектрлік «қанатының» әрбір шаршы метрі күннен шамамен 1,36 кВт қуат алады. Өрісі бірнеше ондаған шаршы километр болатын және миллиондаған киловатт электр энергиясын өндіретін "қанаттарды" тұрғызудың еш қиындығы жоқ.

Жоғары толқынды сәуле-шоғырының (ЖТСШ) электр магнитті тербелісінің жиілігі өнеркәсіпте, ғылыми зерттеулерде және медицинада пайдалану үшін бөлінген диапазондарға сәйкес келуі керек. Егер осы жиілік 2,45 ГГц тең етіп алынса, онда метеорологиялық жағдайлар бұлттылықты және қарқынды жауын-шашынды қосқанда, энергияның беріліс ПӘК-ке еш әсерін тигізбейді. Жиілік денгейі 5,8 ГГц өте қызғылықты, өйткені беретін және қабылдайтын антенналардың көлемін азайтуға мүмкіндік береді. Алайда, метеорологиялық жағдайлардың әсері бұл жерде қосымша зерттеуді қажет етеді.

ЖТСШ – электроника дамуының қазіргі деңгейі геостационарлы орбитадан жер бетіне ЖТСШ шоғырымен энергияның беріліс ПӘК жеткілікті түрдегі жоғары мәні (шамамен 70-75%) туралы айтуға мүмкіндік береді. Оның беріліс антеннасының диаметрі әдетте 1 км тең етіп алынған, ал жердегі ректеннаның көлемі жергілікті 35 град ендік үшін 10 км х 13 км. Шығыс қуатының деңгейі 5 ГВт болатын КЭС беріліс антеннасының ортасындағы сәулелену қуатының тығыздығы 23 кВт/кв.м., қабылдайтынның ортасында – 230 Вт/кв.м.

Беріліс антеннасына КЭС арналған қатты денелі және вакуумді ЖТСШ генераторлардың түрлі типтері зерттелді.

Күн электр стансасының оптика-энергетикалық көрсеткішінің математикалық есептеу үлгісі

Мұнараның айналасына сақина тәріздес шеңбер бойына айналар орналастырылады (гелиостаттар) ал центрінде мұнара оның төбесінде күн бу қазандығы төменгі аймағында бу шығыры (турбина) және электр өндіргіш (генератор) орналасқан. Күннен түскен сәуле гелиостатардан шағылып мұнара басындағы бу қазандығына шоғырланады соның салдарынан өндірілген бу өнімі, бу шығырна беріледі. Бу шығыры өндіргіш электр генераторын іске қосады одан өндіріген электр энергиясы электр желілері арқылы тұтынушыларға таратылады [23,25].

Күн электр стансасының энергетикалық көрсеткішің есебі

Берілген мұнаралы күн электр стансасының бу қазандығының ауданын F_БҚ және одан жоғалатын жылу жоғалысын (конвективті және сәулелік) анықтау қажет.

Берілген мәліметтер:

– күн стансасының әрбір айналарының ауданы F_г м²;

– гелиостатардан бу қазандығының бетіне шоғырланған энергия Н_тік, МВт/м^г;

– гелиостаттың шағылдырғыш коэффиценті R_г;

– бу қазандығының жұту коэффиценті А;

– гелиостат бетіне түскен күн радиациясының тығыздығы H_г;

– жылу тасымалдағыш дененің (су буының) температурасы t,⁰C

Күн бу қазандығының гелиостат арқылы алған күн энергиясы(Вт)

Q = R_г·А·F_г Н_г ·п, (12.23)

мұндағы:

п – гелиосттатың саны;

R_г =0,7÷0,8;

A – бу қазандығының жұту коэффиценті, А < 1.

12.11-сурет. Мұнаралы күн стансасының есептеу сұлбасы

Күн бу қазандығының беттік ауданы:

F_БҚ=Q/Hтік (12.24)

Қазандықтың беттік температурасы t_бқ=1160 К, болғанда өндірілген будың температурасы 700^оС жетеді . Бұл кезде сәуле түрінде таралатын энергия шығыны Стефана-Больцман өрнегімен анықталады:

q_сәу=ε_сәу·C_o·(T/100)⁴,Вт/м² (12.25)

мұндағы T – абсолюттік температура , К;

е_сәу – қазандық бетінің қаралық қөрсеткіші;

C_o – абсолюттік қара дененің шағылдырғыш коэффициенті, Вт/ (м²·K⁴).

Толық жылу жоғалысы (конвективті және сәулелік):

Q_тол=q_толF_БҚ (12.26)

мұндағы:

q_тол= q_сәу +q_кон= q_сәу + q_сәу /2. (12.27)

Есептеу үлгісі

Мұнаралы күн электр стансасында п=263 гелиостат орналасқан, олардың әрқайсының ауданы F_г=58 м². Гелиостаттан шағылған сәулелердің бу қазандығына түсетін максимал тығыздығы Н_тік=2,5 МВт/м^г. Гелиостаттың шағылдырғыш коэффиценті R_г =0,8. Бу қазандығының жұту қабілеттілігі А =0,95. Гелиостат бетіне түсетін күн сәулесінің энергиясы H_г=600 Вт/м^г .

Есептеу қажет:

1. Бу қазандығының беттік ауданын F_пр;

2.Конвективті және сәулелік жылу жоғалысын, егер жылу тасымалдағыштың температурасы t=660 °С, қазандықтың қаралығы

е_пр =0,95 болғанда.

Конвективті жоғалыс сәулелік жоғалысынан екі есе төмен деп аламыз.

Берілген: n=263

F_г=58 м²

Н _тік=2,5 МВт/м^г

R_г =0,8

А =0,95

H_г=600 Вт/м^г

t=660 °С

е_сәу =0,95

Табу қажет: F_БҚ, Q тол - ?

Шешімі:

Күн бу қазандығының гелиостат арқылы алған күн энергиясы (Вт):

Q = R_г·А·F_г Н_г ·п = 0,8·0,95·58·600·263=6955824 Вт ,

Күн бу қазандығының беттік ауданы:

F_БҚ=Q/H_тік=6955824/2500000=2,782 м² _,

Қазандықтың бетік температурасы t_бқ=1160 К дейін көтеріледі, Бұл буды 700 ^оС дейін қыздырады.

Бу қазандығынан жоғалатын конвективті және сәулелік жылу жоғалысын Стефана-Больцман заңдылығымен анықтаймыз:

q_сәу= ε_сәу·C_o·(T/100)⁴=0,95·5,67·=4,08·10 ⁴ Вт/м² ,

мұндағы T – абсолюттік температура, К;

е_сәу – қазандық бетінің қаралық көрсеткіші;

C_o – қара дененің сәулелік коэффиценті, Вт / (м²·K⁴).

,

Вт

Жауабы: Бу қазандығының беттік ауданы F_БҚ=2,782 м², Бу қазандығының конвективті және сәулелік жылу жоғалысы Q_тол=17,02 10⁴ Вт