АЛМАТЫ ЭНЕРГЕТИКА ЖӘНЕ БАЙЛАНЫС УНИВЕРСИТЕТІ Өнеркәсіптік жылу энергетикасы кафедрасы
БЕКІТЕМІН Оқу-әдістемелік жұмыс
жөніндегі проректор
_________________С. В.Коньшин
"______"________________2017 ж.
ЭНЕРГИЯНЫҢ ДӘСТҮРЛІ ЕМЕС ЖӘНЕ ҚАЙТА ЖАҢАРТУ КӨЗДЕРІ 5В071700 – Жылу энергетикасы мамандығы студенттері үшін зертханалық
жұмыстарды орындауға арналған әдістемелік нұсқаулар
КЕЛІСІЛДІ ОӘД бастығы
__________Р.Р. Мухамеджановна
«___»_______2017ж.
Әдістемемен қамтамасыз ету және сараптау бойынша ЖУОӘК төрағасы
__________ Б.К.Курпенов
«___»_______2017ж.
Редактор
__________ ______________
«___»_______2017ж.
Стандарттау бойынша маман __________ ______________
«___»_______2017ж.
ӨЖЕ кафедрасы мәжілісінде қаралды және бекітілді
«__»_____2017ж. хаттама №__
Кафедра меңгерушісі
___________Р.А. Мұсабеков Құрастырушылар:
_________С.К.Абильдинова _________А.К. Яманбекова
Алматы 2017
Коммерциялық емес акционерлік
қоғам АЛМАТЫ ЭНЕРГЕТИКА ЖӘНЕ
БАЙЛАНЫС УНИВЕРСИТЕТІ
Өнеркәсіптік
жылу энергетикасы кафедрасы
ЭНЕРГИЯНЫҢ ДӘСТҮРЛІ ЕМЕС ЖӘНЕ ҚАЙТА ЖАҢАРТУ КӨЗДЕРІ 5В071700 – Жылу энергетикасы мамандығы студенттері үшін зертханалық
жұмыстарды орындауға арналған әдістемелік нұсқаулар
Алматы 2017
АЛМАТЫ ЭНЕРГЕТИКА ЖӘНЕ
БАЙЛАНЫС УНИВЕРСИТЕТІ
ҚҰРАСТЫРУШЫЛАР: Абильдинова С.К., Яманбекова А.К.
Энергияның дәстүрлі емес және қайта жаңарту көздері: 5В071700 – Жылу энергетикасы мамандығы студенттері үшін зертханалық жұмыстарды орындауға арналған әдістемелік нұсқаулар. – Алматы: АЭжБУ, 2017. – 40 б.
Зертханалық жұмыстарды орындау бойынша әдістемелік нұсқаулықтар энергетика саласындағы маңызды тақырыптарды, энергияның дәстүрлі емес және қайта жаңарту көздерін зерттеуге арналған.
Зертханалық жұмыс тақырыбына сәйкес студенттерге желгенераторының қозғалысқа шығу жылдамдығының өлшеуге арналған желэлектр қондырғысының жұмыс қағидасын; фотоэлементті күн батареяларының сипаттамаларын; автономды нысандарды жылумен жабдықтауға арналған ыстық суды дайындауда қолданылатын күн коллекторларының сипаттамасын; автономды ғимаратты жылумен жабдықтауға арналған төмен потенциалды жылу көзі бар, жер, жылу сорғысы жұмысының эффективтілігін зерттеу ұсынылады.
Зертханалық жұмыстарды орындауға арналған әдістемелік нұсқаулар 5В071700 – Жылу энергетикасы мамандығы студенттері үшін құрастырылған.
Кесте – 17, без. – 18, әдеб. көрсеткіші – 6 атау.
Пікір беруші: доц. Б. Бахтияр
«Алматы энергетика және байланыс университеті» коммерциялық емес акционерлік қоғамының 2017 жылғы жоспары бойынша басылады.
© «Алматы энергетика және байланыс университеті» КЕАҚ, 2017 ж.
3
2017 жиынтық жоспары, реті 57
Сауле Кианбековна Абильдинова Аяулым Конусбековна Яманбекова
ЭНЕРГИЯНЫҢ ДӘСТҮРЛІ ЕМЕС ЖӘНЕ ҚАЙТА ЖАҢАРТУ КӨЗДЕРІ 5В071700 – Жылу энергетикасы мамандығы студенттері үшін зертханалық
жұмыстарды орындауға арналған әдістемелік нұсқаулар
Редактор Ж.Н. Изтелеуова
Стандарттау бойынша маман Н.Қ. Молдабекова
Басуға __ __ ____ қол қойылды Таралымы 25 дана
Көлемі 2,44 есептік-баспа табақ
Пішімі 60х84 1/16
Баспаханалық қағаз №1 Тапсырыс Бағасы 1220 теңге
«Алматы энергетика және байланыс университеті»
коммерциялық емес акционерлік қоғамының көшірмелі-көбейткіш бюросы
050013, Алматы, Байтұрсынұлы көшесі, 126
4
1 Зертханалық жұмыс №1. Желэлектр қондырғысының физикалық моделін зерттеу
Жұмыстың мақсаты: автономды режимдегі желэлектр қондырғысы жұмысын үлгілейтін зертханалық қондырғы құрамымен танысу.
1.1 Теориялық кіріспе
Қазіргі кезеңде қозғалмалы массалар энергиясы – электр энергиясын жаңғыртудың ерекше перспективті көздерінің бірі болып табылады. Қазақстан жел энергиясын пайдалануда үлкен потенциалы бар санаулы мемлекеттердің бірі болып саналады. Отандық сарапшылардың бағасы бойынша Республикадағы жел энергиясының техникалық потенциалы шамамен жылына 3 млрд кВт/сағ құрайды.
Еліміздің түрлі аймақтары бір-бірінен ерекшеленетін жел режимдеріне ие. Жеке аймақтағы желдің орташа жылдық жылдамдығының шамасы желқозғалтқышын пайдалану келешегі және агрегат тиімділігі жайлы шамалы болжамдар жасауға мүмкіндік береді.
а) Орнатылған модульдері бар тұрқы
б) Жел қондырғысы
1.1 сурет – Зертханалық стендтің сыртқы келбеті
5
«Автономды режимде жұмыс істейтін желэлектр қондырғысының физикалық моделі» зертханалық стенді «Энергияның дәстүрлі емес және қайта жаңарту көздері» курсын игеру барысында зертханалық жұмыстар орындауға арналған.
Зартханалық стенд құрамы:
- стендті қоректендіру моделі;
- «жел жылдамдығын беру блок» модулі;
- «жел генератор» модулі;
- «түзеткіш» модулі;
- «аккумуляторлық батарея» модулі;
- «жүктеме» модулі;
- «қосу/ажырату» модулі;
- модулдерді орнатуға арналған тұрқы;
- жинақталған желэлектр қондырғысы.
1.1 суретте зертханалық стендтің сыртқы келбеті көрсетілген.
1.2 Зертханалық модульдердің қысқаша сипаттамасы 1.2.1 Стендті қоректендіру модулі.
Стендті қоректендіру модулі (1.2 сурет) зертханалық стендтің қажетті элементеріне күштік кернеуді және екіншілік электрқуат көздеріне кернуді беруге арналған.
Модульдің беттік панелінде келесі элементтері орналасқан:
- зертханалық стендке ~220 В кернеуді беретін Ғ1 автоматты ажыратқыш;
- 220 В кернеуі бар индикатор міндетін атқаратын жарық диоды;
- зертханалық стенд модульдерін қоректендіруге арналған екіншілік электрқуат көздерінің +5 В, +12 В, -12 В бақылау клеммалары;
- екіншілік электрқуат көздерінің жұмыстық күйін сипаттайтын индикатор жарық диоды.
6
1.2 сурет – Стендті қоректендіру модулінің сыртқы келбеті 1.2.2 «Жел жылдамдығын беру блок» модулі.
«Жел жылдамдығын беру блок» модулі желэнергетикалық қондырғысының жеткізуші желдеткішін қозғалысқа келтіретін асинхронды электрқозғалтқышты басқаруға арналған. Модульдің жалпы түрі 1.3 суретте келтірілген. Модульдің қоректену желісінің бірфазалық кернеуін реттелетін жиіліктің үшфазалық кернеуіне және асинхронды электрқозғалтқышының статорлық тізбегіне берілетін амплитуданы түрлендіретін Е2 инвертор типті жиілікті түрлендіргіші бар.
Модульдің беттік панелінде келесілер орналасқан:
- модульге кернеуді беретін «Сеть» пернелі ажыратқышы;
- жел жылдамдығы тапсырма сигналын тағайындауға арналған потенциометр;
- жел жылдамдық индикаторы;
- жел жылдамдығына пропорционал, «қосу/ажырату» модуліне сигнал беру клеммалары;
- басқару элементі бар жиілік түрлендіргішінің тікелей беттік бөлігі.
1.3 сурет – «Жел жылдамдығын беру блок» модулінің сыртқы келбеті 1.2.3 «Жел генератор» модулі.
Модуль желэнергетикалық қондырғысының күштік сұлбасын жинақтауға арналған. Модульдің сыртқы келбеті 1.4 суретте келтірілген.
Модульдің беттік панеліне жел генераторынан және өздігінен қозғалатын синхронды жел генераторынан тұратын желэлектр қондырғысының мнемосұлбасы қондырылған.
Модульдің беттік панелінде жел генераторының мнемосұлбасынан бөлек келесілер орналасқан:
- синхронды генератордың статорлық орамаларының А, В, С
7 клеммалары;
- синхронды генератордың айналу жылдамдығының сандық индикаторы;
-генератордың айналу жылдамдығына пропорционал, «қосу/ажырату»
модуліне сигнал беруші клеммалары.
1.4 сурет – «Жел генератор» модулінің сыртқы келбеті 1.2.4 Желэлектр қондырғысы.
Желэлектр қондырғысы әуелік ағын жасауға және оны синхронды жел генераторына беруге арналған. Желэлектр қондырғысы FL86BLS типті синхронды жел генераторымен бір корпуста орналасқан жел генераторынан тұрады. Желэнергетикалық қондырғының сыртқы келбеті 1.5 суретте көрсетілген.
Жел генераторының қозғалтқыш механизмі ретінде АИР-56-В4 типті асинхронды үшфазалық қозғалтқыш қолданылады. Электрқозғалтқыштың техникалық сипаттамалары 1.1 кестеде көрсетілген.
1.5 сурет – Желэлектр қондырғысы жалпы түрі
8
Генератор ретінде тұрақты магниттерден қозғалыс алатын FL86BLS типті үшфазалық синхронды генератор қолданылады. Синхронды генератордың техникалық сипаттамалары 1.2 кестеде көрсетілген.
1.1 кесте – АИР-56-В4 типті жел генератор қозғалтқышының техникалық сипаттамасы
Параметр Мәні
Номинальды қуат, кВт 0,18
Номинальды кернеу (Ү), В 3380
Статордың номинальды тогы (Ү), А 0,70 Номинальді айналу жиілігі, айн/мин 1350
ПӘК, % 60
соs(ф) 0,68
Оқшаулау класы F
Орындалу дәрежесі ІР54
Жұмыс режимі S1
1.2 кесте – FL86BLS синхронды генератордың техникалық сипаттамасы
Параметр Мәні
Номинальды айналу жиілігі, айн/мин 220
Қуаты, Вт 110
Шығыстағы максимальді кернеуі, В 48
Фазалар саны 3
Максимальді ток, А 3
Кері байланыстың ЭҚК ЭДС-і, В/1000 айн/мин 11,5
Қосу сұлбасы Звезда
Массасы артық емес, кг 3
1.2.5 Желэлектр қондырғысының ортақ жұмыс принципі.
«Автономды режимде жұмыс істейтін желэлектр қондырғысының физикалық моделі» зертханалық стенді аккумуляторлы батареяда және активті жүктемеде жұмыс істейтін синхронды жел генераторының жұмысын модельдейді.
Сонымен бірге, желдің ағыны асинхронды электрқозғалтқышпен іске қосылатын жел генераторы арқылы пайда болады. Асинхронды электрқозғалтқышты инверторлы типті жиілік түрлендіргішке (жел жылдамдығын беру блогы) қосу жел генераторының айналу жылдамдығын реттеуді, яғни жел жылдамдығының өзгеруін қамтамасыз етуге мүмкіндік береді.
Синхронды жел генераторының қалақшалары жел генераторымен туындайтын жел ағынының әсеріне ұшырайды. Осы кезде синхронды жел генераторы айналады және ЭҚК өндіре бастайды.
9
Генератордың статорлық тізбегінен айнымалы ток кедергісін алу
«Жел генератор» модульдің А, В, С клеммалары арқылы іске асады. Бұл кедергі «Түзеткіш» модуль кірісіне беріледі және онда ол тұрақты ток кедергісіне айналады. «Түзеткіш» модулінің тұрақты ток шина шығыстары, сәйкесінше «+» және «-» деп белгіленеді.
Тұрақты ток шиналары аккумуляторлық батареяларға (АКБ) және
«Жүктеме» модулінің дискретті реттелетін активті жүктемесіне тікелей қосыла алады. Аккумуляторлық батарея «+» және «-» тұрақты ток шиналарынан ажыратылуы мүмкін.
Әр өлшеу аспабы өлшенетін шамаға пропорционал сигнал берілетін клеммалармен жабдықталған. Бұл сигнал «қосу/ажырату» модулінің, кейінен оларды сандық кодқа түрлендіруді жүзеге асыратын және деректерді дербес компьютерге табыстауды іске асыратын, сәйкес клеммаларына берілуі мүмкін.
Компьютер, жұмыс бойынша толық сипаттама зертханалық стендпен комплекте көрсетілген, «DeltaProfi» бағдарламалық жасақтамамен жабдықталған.
2 Зертханалық жұмыс №2. Жел генераторының қозғалысқа шығу жылдамдығының өзгеруі
Жұмыстың мақсаты: жел генераторының жұмыс ережесімен танысу, жел генераторының қозғалыс жылдамдығына өлшеу жүргізу.
2.1 Зертханалық қондырғының құрылысы және жұмысы
Зертханалық жұмысты орындау барысында синхронды жел генераторы бос жүріс режимінде болу керек. Ол үшін жұмыс алдында стендті қоректендіру модуліндегі автоматты ажыратқыш QF1 өшірулі жағдайда болғанда стендте келесі амалдарды іске асыру қажет:
- аккумулятор батареясындағы АКБ ауыстырып-қосқыш клеммаларын
«ОТКЛ» жағдайына қою;
- «Жүктеме» модуліндегі SА1-SА5 ауыстырып-қосқыш клеммаларын төменгі орналасу жағдайына ауыстыру;
- жел жылдамдығын тағайындау блогындағы «Пуск» ауыстырып- қосқышын төменгі орналасу жағдайына қою. Бұл кезде жиілік түрлендіргішінің жұмысы доғарылады;
- жел жылдамдығын тағайындаушы потенциометрді сағат тіліне қарсы шеткі жағдайға қою.
Зертханалық жұмысты өлшеу аспаптарының көрсетуін тіркей отырып жүргізуге болады. Желэлектр қондырғысы шамаларын өлшеу үшін дербес компьютерді де қолдануға болады. Ол үшін компьютерді қосу қажет, Windows толық жүктеуін күту және таңбашасы жұмыс үстелінде орналасқан
«DeltaProfi» программасын қосу қажет. «Жұмыс» мәзірінде №1 жұмысты
10
таңдау керек, содан кейін «Пуск» ( F5) батырмасын басу арқылы мәліметтерді жинау процесін бастау қажет.
Жел генераторының қозғалысқа шығу жылдамдығын өлшеу тәжірибесі синхронды генератор жылдамдығының жел жылдамдығына тәуелділігін nг=f(nb) алуға негізделген. Тәжірибені жүргізу үшін 2.1 суретте көрсетілген сұлбаға ұқсас сұлба құру қажет.
Синхронды жел генераторының А, В, С статорлық желілер шығысы
«Түзеткіш» модулінің А, В, С кірістеріне қосылады. Түзеткіш шығысындағы кернеу U1 вольтметрімен өлшенелі. Асинхронды электрқозғалтқыш жиілік түрлендіргіш шығысына қосылады (сұлбада көрсетілмеген).
2.1 сурет – Жел генераторының қозғалысқа шығу жылдамдығын өлшеу бойынша тәжірибе жүргізу сұлбасы
Тәжірибе келесі кезекте жүзеге асады:
-стендті қосу модулінің QF1 автоматты ажыратқышын қосу арқылы стенд элементтеріне кернеу беру;
- жел жылдамдығын беру блогындағы «Сеть» батырмасын қосу арқылы жиілікті түрлендіргіш кірісіне кернеу беру. Түрлендіргіш, қосымшаға сәйкес скалярлы басқару режиміне бағдарламаланған болуы қажет;
- потенциометр жағдайын бір қалыпты өзгерту кезіндегі жел жылдамдығының мақсаты – асинхронды қозғалтқыштың 0-дік мәнін максималды мәнге дейін өзгерту. Сонымен бірге, генератордың қозғалысқа шығатын жел жылдамдығын анықтау керек. Жел генераторының жылдамдығы «Жел генератор» модулінің беттік панелінде орналасқан сандық индикаторда көрсетіледі. Көрсеткіштердің мәнін тіркеуді орнатылған жұмыс режимінен шыққаннан кейін жүзеге асыру керек. Ол үшін өлшеуді жүйе параметрі өзгеруінен кейін біраз уақыт өткен соң жүргізу керек. Өлшеу нәтижелері 2.1 кестеге жазылады.
Генератор максималды жылдамдыққа жеткеннен кейін, жел жылдамдығын максималды мәнен 0-ге дейін төмендете отырып, сипаттаманың төмендейтін тармағын жазып қою қажет. Көрсеткіштерді 2.1 кестеге енгізу қажет.
11 2.1 кесте
Ұлғаймалы тармақ 𝑛в, м/с
𝑛г, айн/мин
Төмендейтін тармақ 𝑛в, м/с
𝑛г, айн/мин
Тәжірибе жүргізгеннен кейін, жел жылдамдығын беретін потонциометрді шеткі сағат тіліне қарсы жағдайға, жел жылдамдығын беру блогындағы «Пуск» түрлендіргішін төменгі жағдайға қою, дербес компьютердегі «Стоп» (немесе F6) батырмасын басу арқылы мәліметтерді жинауды тоқтату қажет. Стендті қоректендіру модуліндегі QF1 автоматты түрлендіргішін өшіру керек.
Тәжірибе нәтижесі бойынша, желдің жылдамдауы мен баяаулауына сәйкес, жел генераторының айналу жылдамдығының сығымдағыш желдеткіштің айналу жылдамдығына тәуелділігін тұрғызу қажет.
3 Зертханалық жұмыс №3. Күн батареясының сипаттамасын зерттеу
Жұмыстың мақсаты: фотоэлеметтердің сипаттамаларын және қасиеттерін анықтайтын негізгі физикалық заңдылықтарды, осы қондырғылардың желілік және вольтамперлі сипаттамаларын зерттеу.
3.1 Теориялық кіріспе
Күн – жер бетіндегі барлық тіршілік тынысы және біз үшін ең негізгі энергия көзі. Ол – керемет энергия ұйытқысы. Күн бетінен шашырайтын және жер бетіне келетін энергия мөлшері қазіргі әлемдік энергия тұтыну мөлшерінен шамамен 10 мың еседен асады. Бірақ күннен берілетін энергияның қолданылатын бөлігі қазіргі таңда әлі өте аз. Жер бетінің әрбір шаршы метріне тиісті күн сәулелерінің максималды қуаты 1000 Вт-қа тең.
Сәулеленудің жалпы қуаты немесе бүкіл әлемдік деп аталатын радиация қуаты тура және шашыраңқы сәулеленудің қосындысы болып табылады.
«Фотовольтаика» – арнайы ұғым. Ол күн батареяларының (фотогальваникалық қондырғының) көмегімен, күн сәулесін электр тогына тікелей түрлендіруді білдіреді.
Күн сәулесінің фотоэлектрлік түрлендіргіштерде басқа элементтермен қосындысы бар кремний қоданылады, ол түрлендіргіштің р-n – ауысулары бар құрылымының негізін қалайды. Жартылай өткізгішті кремнилі фотоэлементінің жұмыс сұлбасы айтарлықтай қарапайым: жартылай өткізгіштің р-қабатында «тесіктік» (оң), ал n-қабатында электрондық (теріс)
12
өткізгіштік пайда болады. Қаббаттардың шекарасында тасымалдағыштардың (электрондар мен «тесіктер») бір қабаттан екінші қабатқа (осындай стационар жағдайда ток жартылай өткізгіштің бүкіл бетінен өтпейді) өтуіне кедергі келтіретін потенциалды тосқауыл пайда болады. Фотоэлементке сәуле (фотондар ағыны) түскенде, фотондар жұтыла отырып, электрондар жұбын құрайды – «тесіктер» қабаттың шекарасына жақындай, потенциалды тосқауылды төмендетеді, ал ол тасымалдағыштардың бір қабаттан екінші қабатқа кедергісіз өтуіне мүмкіндік береді. Жартылай өткізгіште нысаналы электрқозғалтқыш күш (ЭҚК) пайда болады және ол электр тогының көзі болады. Жарық ағыны қарқынды болған сайын фото-ЭҚК мәні жоғары болады.
Заманауи кремнилік (сонымен қатар галлий арсениді негізінде) жасалған фотоэлементтердің тиімділігі едәуір жоғары (олардың ПӘК-і 10-12 % құрайды), ал ПӘК-і неғұрлым жоғары болған сайын, күн батареяларының қажетті ауданы төмен болады. Негізінде шағын энергетикада қажетті аудан ондаған квадрат метрге тең. Жартылай өткізгіштер өнеркәсібінің жоғары табысы болып, ПӘК-і 40% жететін кремнилік фотоэлементтерді өндіру болып табылады. Күн энергетикасының дамуының соңғы маңызды бағыты – арзан және ыңғайлы фототүрлендіргіштерді жасау: ленталық жартылай кристалды кремнилік панельдер, аморфты кремнилік жұқа пленкалар, сонымен қатар жартылай өткізгіштік материалдар. Олардың ішіндегі ең тиімді материалдар:
алюминий-галлий-мышьяк болып шықты, оның өнеркәсіптік әзірленуі енді ғана басталды.
3.2 Фотоэлементтердің негізгі сипатамалары
Әр фотоэлемент параметрлер тізбегімен және оның тек қасиетін ғана емес, сонымен қатар техникада қолданылу шегін анықтайтын сипаттамалармен сипатталады. Олардың негізгісі: вольт-амперлік, жарықтық, жиіліктік және спектрлік сезімталдық, ПӘК болып табылады.
Жүктемелік вольтамперлік сипаттамалар, оның түрлі жүктемелік кедергілерге қосылуы және тұрақты жарқырау Iн f U
н E const кезіндегі, жүктеме тогының Iн фотоэлемент кернеуіне Uн тәуелділігін сипаттайды. Бұл тәуелділік қарастырылған теорияға сай 3.1 суретте көрсетілген.Токтар өсінде жатқан Rн 0 нүктесі Iк з. сәйкес, себебі Rн 0, Uн 0,
н к з.
I I
, яғни вольтамперлік сипаттаманың токтар өсімен қиылысы Iк з. мәнін береді.Кернеу өсінде жатқан Rн нүктесі фото-ЭҚК сәйкес келеді, себебі Rн Iн 0, Uн Uх х. , яғни вольтамперлік сипаттаманың кедергілер өсімен қиылысы фото-ЭҚК мәнін береді.
Егер жұмыстық беті жарықтандырылған фотоэлементті Rн кедергісіне тұйықтаса, онда тізбекте фотоэлемент сапасымен, жарықтандыру
13
интенсивтілігімен және осы кедергі шамасымен анықталатын Iн ток шамасы орнайды.
Жарықтандырудың бірнеше мәндеріне арналған волтьамперлік сипаттамалар 3.1 суреттегі бір біріне қатысты қосылған қисықтарға ұқсас қисықтар тізбегі болып табылады.
Жарықтық (интегралды) сипаттамалар фото-ЭҚК, қысқа тұйықталу тогының Iкз және жүктеме тогының жарықтануға немесе жарық ағынына тәуелділігін сипаттайды: 1) Uк.з=f(E), 2) Iк.з.=f(E), 3) Iн=f(E). Токтың жарықтанудан тәуелділігі Iкз(Iкз=Iф) жарықтану шегі аумақты кезде сызықты, ал жүктеме тогының жарықтанудан тәуелділігін сипаттайтын сипаттамалар сызықты емес.
3.1 сурет – Фотоэлементтің вольтамперлік сипаттамасы
Кейбір фотометрлік өлшеулер үшін фотоэлементтің қолданылуына шектеу қоятын жүктемелік кедергі жоғары болған сайын, сыртқы тізбектегі ток пен жарықтандыру арасындағы сызықсыздық байланысы күшейеді.
Пайдалы әсер коэффициент (ПӘК) – фотоэлементтен бөлінетін қуаттың жарық ағынына берілетін жүктемеге қатынасы:
I Uн
E . (3.1)Фотоэлемент ПӘК мәні қолданылатын материалдар мен фотоэлемент конструкциясына, сонымен қатар фотоэлементтің жұмыс режимін таңдауға (жүктеме кедергісі, жарықтандыру мен температура) тәуелді энергия шығынымен анықталады.
Фотоэлемент жүктемесінде бөлінетін сәулелену энергиясын электр энергиясына түрлендіру кезіндегі энергия шығыны энегетикалық және сәулелік шығын болып бөлінуі мүмкін.
Сәулелік шығындар – бұл ең алдымен фотоэлемент бетінен жарық ағынын сәулелендіруге кеткен және түсетін жарық толқыны ұзындығына
14
тәуелді шығын. Олар, сонымен қатар, жарықтың фотоэлектрлі активті емес жұтылуымен: экситонды жұтылумен, фотондардың түзілуімен, ішкі аймақаралық өтулерді тудыратын жұтылумен, төменгі металлдық электродқа дейінгі үлкен тереңдікке өткен жарық ағын үлесінің жұтылуымен анықталады.
Энергетикалық шығындар – желіктеген электрондар жұбы мен тесіктер немесе олармен тасымалданылатын энергия мөлшерінің шығыны. Бұл шығындар p-n – өткелінен өтпеген тасымалдағыштардың қайта әрекет етуіне (рекомбинациясына) негізделген және фотоэлемент конструкциясына, жартылай өткізгіштің сыртқы қабат қалыңдығына және оның бетінің жағдайына тәуелді. Сонымен қатар, егер жарық кванттар энергиясы тыйым салынған аймақ енінен анағұрлым асса, онда жұтылған энергияның артық бөлігі фотоэлементті қыздыруға жұмсалады.
Есептеу күннің сәулеленуі кезіндегі ПӘК оңтайлы мәнін алу үшін тыйым салынған аймақ ені ΔΕ=1.5 эВ болатын жартылай өткізгіш қолдану керектігін көрсетті. Осы кезде теоретикалық ПӘК 25 % жеткізуге болады.
Кремнилік фотоэлемент (ΔΕ=1.12 эВ) үшін теоретикалық ПӘК шегі 22-23 % құрайды. Нақты кремнилік күн батареясының ПӘК-і шамамен13 %.
Энергияның (20 %) мөлшері беттік қабаттан кері шағылуына, (10-20 %) мөлшері фотоэлектрлік активті емес жұтылуға, (25 % дейінгі) мөлшері жарық арқылы пайда болған тасымалдағыштардың қайтадан ыдырауына және т.б.
жұмсалады.
3.3 Қолданылатын қондырғылардың сипаттамасы 3. 3.1 Күн батареялары.
Күн сәулесінің энергиясын тікелей тұрақты токтың электр энергиясына айналдыру қағидасында жұмыс істейтін СФБ 12-12 күн фотоэлектрлік батареясының сипаттамасы 3.1 кестеде берілген.
3.1 кесте
Параметр Мәні
Номинальді кернеу, В 12
Максималды қуаты, Р (Вт), кем емес 12
Максималды қуат тогы, I (А), кем емес 0,8 Максималды қуат кернеуі, U (В), кем емес 16 Қысқа тұйықталу тогы, (А), кем емес 0,75
Бос жүріс кернеуі, (В), кем емес 18
Сипаттамалар сынаудың стандартты жағдайы үшін келтірілген Күн сәулеленуінің қарқындылығы 1000 Вт/м2
АМ=1,5 кезіндегі сәуленің спектрлік шашырауы Күн элементтерінің температурасы (25±2) °С
Техникалық сипаттамалары
Ұзындығы (мм), көп емес 600
15
Ені (мм), көп емес 300
Қалыңдығы (мм), көп емес 10
Массасы (кг), көп емес 0,92
Эксплуатацияның жұмыстық жағдайы
Температуралық диапазон -50°С-тан +70°С-қа дейін
Салыстырмалы ылғалдылық 100 % дейін
Бұршаққа төзімділігі бұршақ 40 мм/жылдамдық
15 м/с Батареяның қызмет мерзімі кем емес 20 жыл
3.3.2 Радиометр.
Селективті емес «Аргус-03» радиометрі объектің энергетикалық жарықтануын 1,0-ден 2000 Вт/м2, спектрлік диапазонда 0,5-тен 20,00 мкм дейін өлшеуге арналған (3.2 кесте).
3.2 кесте
Параметр Мәні
Энергетикалық жарықтануды өлшеу диапазоны, Вт/м2 1,0-2000
Спектрлік диапазон, мкм 0,5-20,0
Өлшеудің негізгі салыстырмалы қателігінің рұқсат етілген
шегі, % 6
Қондырғыны қоректендіру қоректендірудің стандартты элементтерінен іске асады («Крона» типті немесе аналогты батарея түрі)
Тұтынылатын қуат, Вт 0,02
Жұмыстық режим орнатылатын уақыт, с 2
Габаритті өлшемдері, мм, көп емес
Индикаторлы блоктың 1256830
Өлшегіш бастиегінің 5250
Масса, кг, көп емес
Индикаторлы блоктың 0,15
Өлшегіш бастиегінің 0,2
Қондырғымен жұмыс.
Өзгеткішті көлденең жағдайға қою қажет, өлшегіш бастиегін сәуле өткізбейтін парақпен жабу керек, бірнеше минут күту және қондырғы көрсетулерін жазу қажет. Содан кейін сәуле өткізбейтін парақ алынады және барлық қажетті өлшеулер жүргізіледі, соңғы нәтиже жабық қондырғыдан жазылған көрсеткіштен келесі өлшеуден алынған нәтижені алғанға тең.
3.3.3 ЕМ360 сандық мультиметрі. Тұрақты токты өлшеу.
Қызыл құлақ (щуп) «VΩmA» ұяшыққа, қара құлақ «COME» ұяшыққа, ауыстырғыш «А» жағдайына, тізбекке құлақшалар тізбектей қосылады.
Ауыстырғыш А (20 m, 200 m) жағдайына қойылады.
16
3.3.4 MS6231 сандық мультиметрі. Тұрақты кернеуді өлшеу.
Қызыл құлақ – ұяшық «INPUT», қара құлақ – ұяшық «COME».
Ауыстырғыш V жағдайына қойылады. «Range» батырмасымен өлшеу диапазонын (В немесе мВ) таңдаймыз.
Құлақтар өлшенетін тізбекке параллель жалғанады.
3.3.5 Кедергілер магазині.
Тізбекке түрлі шамадағы кедергі мәндерін орнатуға арналған аспап.
Токты өлшеу кезінде тізбекке тізбектей жалғанады.
Кернеуді өлшеу кезінде тізбекке параллель жалғанады.
Тізбектегі кедергіні өзгерту үшін ауыстырғыштар қолданылады.
3.4 Зертханалық жұмыстың орындалуы
3.4.1 Физикалық зертханада көрсетілген қондырғы сұлбасын сызып алу қажет. 3.2 суретте қондырғының қағидалық сұлбасы көрсетілген.
жарықтандырғыш
R
н – кедергілер магазині;Р
Д – радиометр;Е
– фотоэлемент;
А– микроамперметр;V
– вольтметр.3.2 сурет – Фотоэлементтің сәулелік және вольтамперлік сипаттамаларын алуға арналған қағидалық сұлба
3.4.2 Жүктемелік вольтамперлік сипаттамасын алу. Ол үшін Rн 0-ден ∞ дейін өзгеруі кезіндегі, люксметрмен (радиометрмен) өлшенетін, тұрақты жарықтану кезінде (E const) фотоэлемент тізбегіндегі токтың Iн шамасын өлшейді. Алынған нәтиже 3.3 кестеге жазылады.
Екалибрлік=……Вт/м2; (Е1=……Вт/м2); Iк з. .=…..;Uх х. .
17
Токтың Iн, кернеудің (Uн Iн Rн) және қуаттың P, Вт (Р U I н н) түрлі мәндеріндегі жүктеме (кедергі R )н шамасын есептеу.
3.3 кесте
I
н, АU
н, ВR
н, Ом P, Вт(Iн,Uн – аспаптармен өлшенеді, Р, Rн – есептелінеді).
3.4.3 Жарықтанудың басқа мәндері үшін тәжірибені қайталау. Шамалар 3.4 кестеге жазылады.
(Е2=……Вт/м2); Iк з. .=…; Uх х. . 3.4 кесте
I
н, А Uн, ВRн, Ом
P, Вт
(Е3=……Вт/м2); Iк з. .=…; Uх х. . 3.5 кесте
I
н, АU
н, ВR
н, Ом P, Вт3.4.4 3.3-3.6 кесте мәндері бойынша Iн f U
н E const тәуелділік графигін тұрғызу керек (3 график). Үш жағдай үшін Iк з. ,Uх х. шамаларын енгізу қажет және бір графикте орналастыру керек. Алынған нәтижені сипаттау және салыстыру қажет.3.4.5 Сәулелік сипаттаманы алу. Ол үшін
R
н (кез келген) белгілі шамасын қою керек, жарықтанудыңE
0-ден максимал мәнге дейін өзгеруі18
кезіндегі фотоэлемент тізбегіндегі фототок
I
н шамасын өлшеу қажет.Нәтижені 3.6 кестеге енгізу керек.
Екалибрлік=……Вт/м2;
R
н=……Ом.3.6 кесте
E
, Вт/м2I
н, АU
н, В P, Вт Ƞ, %3.4.6 Спектрдің көрінетін бөлігіндегі фотоэлемент ПӘК табу және 3.6 кестеге енгізу керек:
н н
I U P ЕS ES
, (үлесте) (3.2)
немесе
н н 100%
I U
ЕS , (%). (3.3)
Вольтамперлік және сәулелік сипаттамалардың алынуы кезіндегі алынған мәліметтер бойынша түрлі Е және S жарықтану және фотоэлементің сәулеленген бөлігінің ауданы S м, 2 кезіндегі ПӘК табу.
, 2
S м – есептелінеді:
, 2 фотоэлемента
S S n м ,
мұнда Sфотоэлемента а b м, 2, n – фотоэлементтер саны.
3.4.7 f E
R const , P f E
R const тәуелділік графиктерін тұрғызу.3.4.8 Жұмыс бойынша қорытынды.
3.5 Есептеме мазмұны
Есептемеде қысқаша мына сұрақтар қарастырылу керек:
1) Жұмысты орындау тапсырмасы.
2) Қондырғының сипаттамасы және сұлбасы.
3) Параметрлерді өлшеу әдістері (жұмыстың орындалуы).
4) Зерттеуді орындау шарттары мен әдістері (жұмыстың орындалуы).
5) Бақылау журналы (кесте).
6) Тәжірибе нәтижесін өңдеу әдістері (формулалармен есептелуі).
7) Тәжірибені өңдеу нәтижесі (кесте).
19
8) Фотоэлемент сипаттамаларын тұрғызуға қажет есептеулер.
9) 3.2-3.5 кестелердегі сипаттамалар бойынша график.
10) Қорытынды.
4 Зертханалық жұмыс №4. Күн коллекторының сипаттамаларын зерттеу
Жұмыстың мақсаты: жеке ғимараттарды жылумен жабдықтау үшін күн энергиясын қолдану, күн коллекторларының жылуөндірулігін есептеу әдісін меңгеру, күн коллекторларының нақты типін таңдауды және оларды автономды активті немесе пассисті жылумен жабдықтау жүйелеріне орнатуды үйрену.
4.1 Теориялық кіріспе 4.1.1 Күн энергиясы.
Күн радиациясы – бұл таусылмайтын экологиялық таза жаңғыртылатын энергия көзі.
Жер атмосферасының беткі қабатына жылына күн энергиясы ағынының
1024
6 ,
5 Дж келеді. Жер атмосферасы осы энергияның 35 % кері космосқа қайтарады, ал қалған энергияны жердің бетін қыздыруға, ауалық және теңіздік ағынның, мұхиттар мен теңіздердегі толқынның пайда болуына және желге жұмсайды.
Жердің 1 м2 бетіне 1 күнде түсетін күн энергиясының орташа жылдық мөлшері солтүстікте 7,2 МДж/м2, ал тропикалық және ыстық аймақтарда 21,4 МДж/м2.
Күн энергиясы жылулық, механикалық және электр энергиясына түрленеді, химиялық және биологиялық процестерде қолданылады. Күн қондырғылары түрғын және қоғамдық мекемелерді жылыту және салқындату үшін, төмен, орташа және жоғары температураларда өтетін технологиялық процестерде қолданылады.
4.1.2 Автономды жылумен жабдықтау күн жүйесі.
Күн қондырғысының негізгі конструктивті элементі болып күн энергиясын жинақтайтын, оны жылуға түрлендіретін және суды, ауаны немесе кез келген басқа жылутасығышты қыздыратын коллектор табылады. Күн коллекторы екі типке бөлінеді – жазық және фокустаушы. Жазық коллекторларда күн энергиясы концентрациясыз, ал фокустаушыларда концентрациямен жұтылады, яғни түсетін радиация ағынының тығыздығының артуымен. Төмен температуралы гелиоқондырғылардағы коллекторлардың көп таралған түрі болып күн энергиясының жазық коллекторы (КЭК) табылады. Ол ыстық жәшік тәрізді жұмыс атқарады, оның жұмысын түсіну үшін көз алдымызға есіктері жабық автокөліктің салоны, мөлдір әйнектерінен түсетін күн сәулелерінен қалай қызатынын елестетейік, яғни салонды күн
20
сәулелерін жинақтағыш деп санауға болады. Жазық КЭК дайындау үшін, ең алдымен, қызған жылутасығыштың қозғалысын қамтамасыз ететін құбырлар қатарымен немесе каналдармен берік байланысы бар сәулесіңіруші бет қажет.
Жылутасығыштарға арналған сәулесіңіретін жазық құбыр (канал) беттерінің жиынтығы біріңғай конструктивті элементті құрайды – абсорбер. Күн сәулесін жақсы сіңіру үшін абсорбердің беткі қабаты қара түске боялуы немесе арнайы жабындысы болуы керек.
1 – құбырлық регистр; 2,3 – коллекторлық құбырлар; 4 – күн коллекторының корпусы; 5 – бекіту бұрышы; 6 – әйнек; 7 – бекіткіш элемент; 8 – жылу оқшаулағыш.
4.1 сурет – Күн коллекторының жалпы түрі
4.1 суретте НПФ «Новые Технологии» құрастырған күн коллекторының (КК) жалпы түрі көрсетілген. Коллектордың жылуқабылдағыш панелі коррозияға төзімді алюминий қоспасынан жасалған балқытылған қабырғалы (плавниковыми ребрами) құбырлар регистрі түрінде жасалған.
Күн коллекторы гидравликалық коллекторлардан 2, 3, профильденген алюминиден жасалған корпустан, жоғары эффективті жылу оқшаулағыштан тұрады. Бекіту бөлігінің ерекше конструкциясы әйнекті 6 орнатудың берік және қарапайым әдісін қамтамасыз етеді.
Алюминий қоспасынан жасалған жазық күн коллекторы (СК-1.1) 1991 жылдан бастап шығарылады. Күн коллекторларының жылу қабылдағышының ауданы 1,1 және 2,0 м2 болып екі түрлі типте шығарылады. СК-1.1 типтегі бір коллектор Одессада шілде айында 80 л суды 55–60 °С дейін қыздыруға мүмкіндік береді.
21
4.2 Автономды жылумен жабдықтаудағы күн жүйелерінің классификациясы
4.2.1 Пассивті жүйе – 1.
4.2 – суретте бір тізбекті күндік ыстық сумен қамтамасыз ету жүйесі бейнеленген. Мұнда жылутасығыштың айналмалы қозғалысы пассивті түрде іске асады, яғни ерікті түрде ешбір сорғының көмегінсіз айналып жүреді.
Суды тікелей қыздыруға арналған бір контурлы термосифонды жүйенің жұмысын қарастырайық.
4.2 сурет – Ыстық сумен қамтамасыз ететін бір контурлы термосифонды күн жүйесінің қағидалық сұлбасы
Жүйенің коллекторлары, бак-аккумуляторлары және жалғағыш құбыр өткізгіштері суық сумен толтырылған. Күн сәулесі коллектордың мөлдір жамылғысынан (әйнегінен) өтіп оның жұтатын панелі мен оның аралығындағы суды жылытады. Қыздыру барысында судың тығыздығы азаяды және қызған сұйық коллектордың жоғарғы нүктесіне жылжи бастап және одан ары құбыр өткізгіш арқылы бак-аккумуляторға өте бастайды.
Бактаға қызған су жоғарғы нүктеге өтеді, ал неғұрлым суық су бактың төменгі бөлігіне өтеді, яғни температураға байланысты судың қабатқа бөлінуі іске асады. Бактың төменгі бөлігінен неғұрлым суық су құбыр өткізгіш арқылы коллектордың төменгі бөлігіне өтеді. Осылайша, күн радиациясы жеткілікті болғанда, коллекторлық контурда жылдамдығы мен интенсивтілігі күн сәулесі ағынының тығыздығына тәуелді тұрақты циркуляция орнайды. Осындай жүйенің ерекшелігі болып термосифонды жүйе кезінде бак-аккумулятордың төменгі нүктесі коллектордың жоғарғы нүктесінен жоғары орналасуы керек
22
және ол коллектордан 3-4 метрден алыс болмауы керектігінде, ал жылутасымалдағышты сорғы арқылы айдағанда бак-аккумулятордың кез келген күйде бола беретіндігінде.
4.2.2 Пассивті жүйе – 2.
Оларға жылу тасығыштың екі контурлы пассивті айналымы бар жүйелер жатады. Екі контурлы термосифонды жүйенің жұмысын қарастырайық.
4.3 сурет – Ыстық сумен қамтамасыз ететін екі контурлы термосифонды күн жүйесінің қағидалық сұлбасы
Мұндай жүйенің жұмысы бірконтурлы жүйенің жұмысына ұқсас, бірақ жүйеде коллекторлардан, құбыр өткізгіштен және бак-аккумулятордағы жылуалмастырғыштан тұратын жекелеген тұйықталған коллекторлық контур болады. Бұл контурға арнайы жылутасымалдағыш (ережеге сай қатпайтын) құйылады. Коллекторда жылутасымалдағыш қызғанда жылуалмастырғыштың жоғарғы бөлігіне түседі, бактағы суға жылуын береді және суи отырып күн радиациясы болса тұрақты циркуляцияланып, коллектордың шығысына жылжиды.
Бактың тұтастай қызуы күні бар ұзақ күнде біртіндеп іске асады, бірақ тұтынушыға суды алу неғұрлым қызған жоғары бөліктерден іске асады, ыстық сумен толық қызған кезге дейін іске асыруға болады.
23
Осындай жүйенің ерекшелігі болып термосифонды жүйе кезінде бак- аккумулятордың төменгі нүктесі коллектордың жоғарғы нүктесінен жоғары орналасуы керек және ол коллектордан 3-4 метрден алыс болмауы керектігінде, ал жылутасымалдағышты сорғы арқылы айдағанда бак- аккумулятордың кез келген күйде бола беретіндігінде.
4.2.3 Активті жүйе.
Жылутасымалдағышы активті жүйеде айналатын екі контурлы жүйені қарастырайық (4.4 сурет).
Мәжбүрлі циркуляциялы жүйелерде коллекторлық контурға циркуляциялық сорғы қосылады, бұл бак-аккумуляторды ғимараттың кез келген бөлігіне орналастыруға мүмкіндік береді.
4.4 сурет – Мәжбүрлі циркуляциялы ыстық сумен қамтамасыз ететін активті екі контурлы күн жүйесінің қағидалық сұлбасы
Жылутасымалдағыш қозғалысының бағыты коллектордағы табиғи циркуляцияның бағытымен сай келуі керек. Сорғыны қосу және ажырату коллекторлар мен бактардың шығысында орналасқан, температура датчиктерінің көрсетулерін салыстыратын дифференциалдық басқарушы реле түрінде болып келген электронды басқару блогы арқылы іске асырылады.
24
Коллекторлардағы температура бактағы судың температурасынан жоғары болғанда сорғы қосылады. Коллектор мен бактың арасындағы температураның тұрақты айырымын ұстай отырып сорғының суды айдауын және айналу жылдамдығын өзгертуге мүмкіндік беретін блоктар бар.
4.3 Күн қондырғысының жылуөндірулігін есептеу
Жылумен жабдықтаудың күн жүйесінің жылулық есептеуін дәл есептеу климаттық параметрлердің кездейсоқ тербелісіне және жүйе элементтерінің өзара қиын байланыстарының сипатына байланысты үлкен қиыншылыққа тап болады. Сондықтан көбіне ЭЕМ көмегімен гелиожүйені толық модельдеудің нәтижесін жалпылау мен жобаланушы жүйенің ұзақ мерзімді сипаттамасын алуға мүмкіндік беретін жеңілдетілген әдістер қолданылады. Ғимаратты ыстық сумен және жылумен қамдауға арналған күн қондырғысының жылулық есептеуінің жеңілдетілген әдісі оның негізгі параметрлерін: күн энергия коллекторының беттік ауданын А және жылу аккумуляторының көлемін V, сонымен қатар энергетикалық тиімділік сипаттамаларын – жылумен қамдаудың жылулық жүктемесінін жабудағы күн энергиясының жылдық мөлшерін және жылудың есептік жылдық үнемделуін анықтауға мүмкіндік береді.
Жазық күн энергия коллекторының (КЭК) жылулық қуаты (Вт):
К 0 К Т1 В
p T2 T1,k AI K T T Gc T T
Q (4.1)
мұнда А – КЭК беттік ауданы, м2;
IК – коллектор бетіне түсетін күн радиация ағынының тығыздығы, Вт/м2;
0 – коллектордың тиімді жылулық ПӘК;
KК – коллектордың жылу шығынының жалпы коэффициенті, Вт/(м2-К);
2 1, T
T T
T – КЭК кірердегі және шығысындағы жылутасығыш температурасы, °С;
TВ – сыртқы ауа температурасы, °С;
G – КЭК-ғы жылутасығыштың массалық шығыны, кг/с;
cp – жылутасығыштың меншікті изобаралық жылу сыйымдылығы, Дж/(кг °С).
Күн энергия коллекторының меншікті орта айлық күндізгі жылуөндірулігі, күніне МДж/м2:
2
,'
0 I aP bP
E
qk k (4.2)
мұнда Ek – 1 м2 КЭК беттік ауданына түсетін күн энергиясының орташа айлық күндізгі мөлшері, күніне МДж/м2:
, E R
Ek (4.3)
