3 Күн энергиясын батареяны қолданумен пайдалану
Фотоэлементтің типін фотоэлектрлік түрлендіргіштің құрамында,
таңдаған кезде, КЭС-ның ішкі сұлбасы фотоэлементтің тұрақты тоқтың
кернеуін өзгертетін тізбеден тұруы керек. Экономикалық бірлестік ұйымы
бойынша тарату сызығы желілер үшін фаза санына, тоқ жиілігі мен кернеу
мөлшері бойынша стандартты түрде болуы керек. Бұл тізбе үшін үш фазалы
көпірлі шығыс айырғыш трансформатормен (АТ) инвертор (И) қолдану керек
екені анық.(- сурет). (0,69 кВ; 10 кВ; және т.с.с.) сызықтық кернеу желінің
стандартты шамасы, екінші (желі үшін шығыс) кернеуі
-ге тең болуы
керек. Фотопанельден (ФП) көрсетілген ФЭ-ді біріктіретін, инвертор типіне
тұрақты тоқтың кіріс кернеуінің орташа мәнімен
арақатынасы,
тікелей және параллельді қосылған және әрекеттегі шығыс фазалық кернеудің
мәні И-
тең:
(
)
√
(3.1)
мұндағы β – IGBT модулін қосу бұрышы;
γ – IGBT модулінің коммутация бұрышы;
I –инвертор тоғының орташа мәні;
– I тоқ коммутациясының әсерінен кернеудің
төмендеуі;
– IGBT-модулдерінде кернеудің төмендеуі.
3.1 сурет - КЭС-тің құрамындағы бір түрлендіргіштің электрлік сұлбасы: И1,
И2 – инверторлар, ТР – шығыс үшфазалы үш орамды трансформатор
-ді
мәнінің стандартты шегінің едәуір өзгерісі кезінде
желіге беру үшін, инвертордың жұмыс режимін β бұрышын өзгерту керек. Β-
ны реттеу инвертордың басқару сұлбасын қиындатады, ол
құрамындағы
жоғары гармониктардың сандарының өсуіне әкеледі.
шамасына
47
минималды тәуелділігі және тоқ көзінің сипаттамасына вольтамперлік
сипаттама жақын болған кезде Β бұрышының мәні 15°-тан аспайды. Бұл
жағдайда
шамасын былай есептеуге болады:
√
(3.2)
3.1 Күн электр станциясының ішкі бөлігінің түрлендіргіштерінің
параметрлерін таңдау
Күн электр станциясының ішкі желісі әртүрлі дәрежедегі кернеумен
тоқтардан тұратын үш бөлімнен тұрады.
Күн электр станциясының бірінші түрлендірілген бөлігінің ішкі желісі
тұрақты тоқ тізбегі анық айқындалған территорияда және әртүрлі қосылған
фото түрлендіргіш, радиальды және магистральді кабельді сызықтағы тұрақты
тоқ И группасы және трансформатор (ТР) шығуы. Тұрақты тоқ тізбегінің осы
бөлігінің кернеу дәрежесі 1 кВ-тан аспайды. Екінші бөлігі – үшфазалы
шығысы ТР (10 кВ) кернеуі бірінші дәрежелі айнымалы тоқ тізбегі, радиальды
және магистральды үшфазалы айнымалы тоқтың кабельді сызығы және
үшінші бөлімі – орталық қосалқы станция 35 және 110 кернеулі. Күн электр
станциясының аумағы өте үлкен болғандықтан бірнеше орталық қосалқы
станция орнатылуы мүмкін. Және де күн электр станциясының үш ішкі
желілері оперативті коммутирленетін, қорғалатын және ақпаратты
аппараттардан, тура тізбектерден тұрады.
Мысал ретінде ФЭ тобын ортақ құрылымға, ФП электрлік байланыс
схемасын, тоқ және кернеу параметрлері шығыс және кірісі бар U және ТР-дің
сұлбасы мен қуатын, күн электр станциясының түрлендіргіш бөлігінің 1 МВт
қуатта бір элементін қарастырамыз. Бұл элемент қуаты 500 кВт-тан тұратын
екі инвертордан тұрады және де ол бір үшорамды үшфазалы
сызықты 10
кВ ТР шығысына жалғанады. Сол себепті айнымалы тоқтың бірінші дәрежелі
кернеуі күн электр станциясының ішкі желілеріндегі элементтерінің қуаттары
10 кВ болады.
Ойлағанымыздай, стандартты қатар кернеуді қолданған
инвертордың шығысындағы айнымалы тоқтың сызықты кернеуі 0,69 кВ және
де сәйкесінше
фазаның кернеуі 0,4 кВ-тын құрайды. ФЭ-ні тұрақты тоқ
полясына орналастыру үшін күн электр станциясы ФП-ны төрт тізбектей және
төрт параллель жалғау керек. ФЭ-нің нормативті
кезіндегі төрт тізбектей
топтасқан кернеуі 150 В шамасында, ал параллель жалғанған төрт ФЭ-нің тоқ
күші 20 А. Бір ортақ блокта тізбектей байланысқан алты ФП-дің
шығысындағы кернеуі 900 В. Блокта 29 панель параллельді жалғанса шығыста
тоқ күші 580 А болады. Блокта ФП -174, ал барлық ФЭ блокта – 2784. Күн
электр станциясында екі ФЭ блок орнатылған, барлық ФП-348, барлық ФЭ
саны – 5568. Тұрақты тоқ тізбегіндегі ФП-дің
кезіндегі нормативті
48
қосындысының қуаты – 3,0 кВт, блок үшін – 522 кВт, ал барлық ФЭ екі
элементі блок үшін -
– 1044 кВт.
Фотопанелін орналастыру үшін олардың өзара көлеңкелеуін есептеу
керек. Ең алдымен оның құрылысымен бір панелінің өлшемін өлшеу керек,
олардың жерге байланысын қарау керек және де панелдің жылдық, күндік
уақытының көлеңкелеу коэффициентін есептеу керек.
Күн сәулесінің қуатын зерттегеннен кейін L көлеңкенің ұзындығын төрт
мезгілде құрастыру керек. Ең ұзақ көлеңкенің тұруы қыс мезгілінің таң кезі,
ал минималды көлеңкенің тұруы жаздың түс кезі болып саналады.
көлеңкенің коэффициентін панельмен жердің арасындағы биіктіктен
байқау орынды.
Көлеңке деңгейі (1-
) ВЭС есебінде, ВЭУ көлеңкесінің аймақта
орналасуына байланысты диаметрі D жел турбинасының роторының
арасындағы h биіктігін қарастырамыз.
Есеп үшін күннің бұрышы мен көлеңкенің ұзындығының қатынасы
қолданылады. Күн бұрышы:
(3.3)
мұндағы N – бірінші қаңтардан басталған әр күн саны;
(3.4)
мұндағы
– сағаттық бұрыш;
t-түннен басталған сағат уақыты,
-аймақтың ендігі.
–көлеңкенің бейімделген ұзындығы,
мұндағы, h-ФП-дің жерден биіктігі;
-азимуттық бұрыш.
(3.5)
L – ФП бойынша перпендикуляр қозғалған көлеңкенің ұзындығы.
L=
cos
.
АРК-да салынған КЭС үшін L мен ФП панельдердің арасы қысқы
күндегі көлеңкінің есебінен көп болуы керек. (L=3,8h). Сонда орнатылған ФП
үшін қуаты 3 кВт, биіктігі h-4.5 м, аумағы 4,5×6,5 м, міңездемесі 0,004 га/кВт
құрайды. Ал салыстырмалы түрде қуаты 1 МВт ВЭУ үшін аналогты
міңездемесі 0,2 га/МВт-қа тең.
49
КЭС аумағындағы ФП тобының тұрақты тоқ тізбегінің анық қуатын
анықтау
белгісінің пайда болғандағы айырмашылығы, квартал бойынша,
, Вт/
тұрақты тоқтың ішкі желісінің қуаты мына формуламен
анықталады:
(
)
(
)
(3.6)
мұндағы,
-ФП-ң анықталатын қуаты;
-ФП-ң саны.
есебінің мәні КЭС-ғы тұрақты тоқтың ішкі желісінің
анықталған қуатының N саны және ФП болып табылады. Күн электр
станциясындағы АРК-ның өлшемі
, ФП үшін жоғары келтірілген
мысалдар да (ФЭ-ң қуаты 144,95 Вт/
) шамасы 400-ден 1440 Вт/
(нормативті шамасы 16 ФЭ үшін – 2310,3 Вт/
).
Элемент үшін айнымалы тоқ тізбегінің қуатының құрамына: екі
инвертор және КЭС аумағындағы трансформатор кіреді. Ал екінші бөлігіне
КЭС-ң ішкі желісіндегі үшфазалы айнымалы тоқ тізбегі бар 10 кВ-ты ТР
шығысы бар бірінші дәрежелі кернеу және де үшфазалы радиалды және
магистральды кабельді сызықтар бар айнымалы тоқ. Мысал үшін ТР
шығысындағы екі инвертордың параметрлерін және КЭС-тің 1 МВт бір
элементінің қуатын аламыз.
3.2 Таңдалған сұлбамыздағы инвертор мен трансформаторлардың
параметрлері
ТР шығысындағы кернеу орамының белгілері:
U-
,
стандарт бойынша мынаған тең және де
. Есептік қуатқа сай U-
. Тоқтың орташа мәні IGBT модулі бойынша
ал кері
максималды кернеуі
-ке тең.
ТР шығысындағы төртеудің бір орамындағы қуаты:
(3.7)
мұндағы
- ПӘК инверторы;
cos
– ТР-дың кіріс тізбегіндегі коэффициент қуаты;
1,2 – коэффициенті;
=1(
) арасындағы шама.
50
ТР орамындағы инвертор шығысының
тоғы:
(3.8)
ТР орамындағы шығыс кернеуінің берілген мәндері:
стандарт бойынша таңдалған.
орамының толық қуаты
және ТР шығысындағы
берілген мәндер арқылы
былай
анықталады:
(3.9)
(3.6)-(3.9) формула бойынша
,
,
;
;
;
тең.
Орташа кварталды және орташа жылдық КЭС-тан электр энергиясын
өңдіріп шығару және орнатылған қуаттың коэффициентінің есебі.
Күн шуақ күндердің
саны және
бір квартал және бір жылдағы күн
түсу уақыты кезіндегі
энергиясын табу есебі.
(3.10)
КЭС-ң электр энергиясы мен орташа шамасы КИУМ КЭС-ң бір жылдық
және бір кварталдық емес бір күндегі анық қуатын есептеуге болады. КИУМ
КЭС энергиясын есептегенде жылдық және кварталдағы есептеуге нормативті
орнатылған ФЭ
қуаты арқылы есептейміз.
мұндағы N-ФЭ саны;
– кварталдағы жылдың күнге қатынасы.
51
4 Өмір тіршілігінің қауіпсіздік бөлімі. Қуаты 100 МВт күн электр
станциясын өңдеу
4.1 Күн электр станциясын пайдалануда қоршаған ортаға әсеріне
талдау жасау
Жылу энергетикасы, әсіресе көмір энергетикасы қоршаған ортаға және
тұғындар денсаулығына едәуір зиян келтіреді. Қазақстандағы отыны көмір
болып табылатын электр станциялардағы түтінді газдардағы зиянды заттар
концентрациясы халықаралық стандарттан бірнеше есе жоғары болады.
Электр станциялардың атмосфераға тастайтын зиянды заттары жылына 1 млн.
тонна, ал жалпы қоршаған ортаға тасталатын зиянды заттар көлемі жылына 11
тонна болады. Қазақстандағы эксперттер жасаған баға бойынша көмір
энергетикасы қоршаған ортаға сағатына 7,7 тенге/кВт залал келтіреді және
электр энергия құнының өзінен асып түседі. Қазақстан Республикасы
климаттың өзгеруіне байланысты БҰҰ Рамалық Конвенция мүшесі болып
табылады және энергетиканың оның әсерінің төмендеуіне міндеттеме алған.
Осыған байланысты энергосектор арқылы зиянды парниктік газдарды
тастауды қысқарту талаптары генерацияланатын қуаттардың құрылымын
өзгерту, оның энергия тиімділігін арттыру және дәстүрлі емес энергия
көздерін қолдануды арттыру арқылы орындалады.
Табиғи ресурстарды аз қолдануда, қоршаған ортаның деградациялық
азаюында күн энергиясына елеулі үлес қосу керек.
Қазақстан Республикасында күннің нұр шашу ұзақтығы 1280-2300 кВт с/м2
аралығында бір жыл ішінде барлық 8760(8736) сағаттан 2000-нан 3000 дейінгі
сағатты құрайды.
Қазақстан территориясындағы бір жыл ішіндегі суммарлық күн
энергиясының потенциалы 340 млрд.тонна меншікті отынды құрайды. Сәулелі
энергия көзі-Күн-радиусы 696 мың км тесілген плазмалық шар. Казақстан өз
аумағындағы күн энергиясының жоғары техникалық потенциалын қолдануда
көптеген пайдаға кенелуі мүмкін.
Күн энергиясының көзі – температурасы 15 млн. К құрайтын күннің
ортаңғы ауданында сутегінің гелииге ядролық айналуы. Энергия күн
қойнауынан оның бетіне сәулелену арқылы, содан кейін сыртқы қабатында
конвекция арқылы тасымалданады. Күн бетінде болатын плазмалық процестер
қарқындылығы 11 жыл сайын өзгеріп тұрады. Күннен 149млн. км
арақашықтықта орналасқан Жер бетіне күн энергиясының сәуле ағыны қуаты
2 10 17 Вт шамасында келіп түседі.
Күн сәулесінің спектрі гамма сәулелерінен метрлік радиотолқындарға
дейінгі диапазонды қамтиды. Күн спектрі көрінетін ауданда температурасы
6000 К абсолютті қара дененің сәулеленуіне жуық болып келеді және
энергетикалық максимумы 430-500 нм. Толқын ұзындығы 400 ден 700 нм
аралығындағы сәулелену «Жарық» мағынасын білдіреді, грекше-Фотос. Бұл
52
диапазон
аралығына
ұзынтолқынды
инфрақызыл
сәулелену
және
қысқатолқынды ультракүлгін сәулелену кіреді. Атмосфералық массаның
сәулеленуді жұту ,яғни су парларымен-бұлттармен (инфрақызыл сәулелену),
озонмен (ультракүлгін сәулелену), шаң бөлшектерімен, күлмен, түтін және
аэрозольмен, негізінде күннің жарығы атмосфера арқылы өткенде
босаңсиды.Бұл сәуле жұтулардың барлығы – атмосфераның оптикалық
тығыздығы мәнін береді. Атмосфераның жоғарғы шекарасында және ғарыш
кеңістігінде сәулелену мынаған тең = 1360 Вт\м². Осыған байланысты қазіргі
уақытта күн сәулесін қолданудың тұрақты тенденциясы қабылданған, яғни
жылу энергиясын да электр энергиясын алу үшін де қолданылады. Әр түрлі
елдерде қуаты 1 кВт-қа дейінгі он мыңдаған фотоэнергетикалық
қондырғылар, электромобильдер үшін күн заправкалық станциялар
пайдалануға берілген. Қуаты 100 кВт-қа дейін күн электр станциялары
жобалануда. Гелиоқондырғылар үлкен емес қашықтағы орталықтарды
электрмен жабдықтау үшін табысты қолдануда.
Күн радиациясын электр энергиясына айналдыру біршама
шығындармен жүргізіледі, олар концентраторлардың толық зерттелмегенімен
және олардың толқын ұзындығы бойынша сәулелерді дифференциялай
алмайтын қабілеттерімен белгілі, ол күн сәулесімен жарық ағынының белгілі
бір
ұзындығында
тиімді
жұмыс
істейтін
жартылай
өткізгішті
түрлендіргіштердің жұмысы үшін қажетті болып табылады.
Күн энергетикалық қондырғылардың төмендегідей ерекшеліктері бар:
- электр энергиясын экологиялық таза өндіру, парник газдарының
қалдықтарының толығымен болмауы;
- қолданудың көп салалығы;
- құрылымының қарапайымдылығы мен салмағының аздығы;
- жұмыс істегенде шудың болмауы;
- қуат жинақтаудың модульдік принципі;
- жоғары сенімділік.
Күн батареясы – күн электр магнитті сәулесін электр энергиясына
түрлендіретін альтернативті энергия түрінің бір генераторы болып табылады.
Ең тиімді қондырғы ретінде энергетикалық көзқараспен қарайтын
болсақ, күн энергиясын электр энергиясына айналдыратын құрылғы
жартылай өткізгішті фотоэлектрлік түрлендіргіштер болады, себебі олар
тікелей, бір сатылы энергияның өтуін қарастырады. ФЭП-та біртекті емес
жартылай өткізгіштік құрылымдағы оларға күн сәулесі әсер еткендегі ФЭП
оптикалық қасиеттері мен біртекті емес жартылай өткізгішті құрылымның
фотовольттік тиімділіктің энергияның түрлену тиімділігіне негізделген электр
физикалық сипаттамаларына байланысты болады. Теориялық ФЭП ПӘК
мышьякты галлием (арсенид галлий, GaAs), кремнийден (12–18%) негізіндегі
кең таралған ФЭП-қа қарағанда жоғары болады, себебі олардағы тиым
салынған аумақтың қалыңдығы күн энергиясын жартылай түрлендіргіштер
үшін, тиым салынған аумақтың тиімді енімен сәйкес келеді (арсенид галлийде
53
1,4 эВ, кремнийда 1,1 эВ). Кремнииден жасалған ФЭП 25 °С-тан бір градус
қызғанда ол кернеудің 0,002 В жоғалтады, яғни 0,4 %/градус.
Кремний элементтері 60–70 °С температураға дейін қызғанда олардың
әр қайсысы 0,07– 0,09 В жоғалтады, бұл оның ПӘК жоғалуының негізгі себебі
болып табылады және генерацияланатын элементінің төмендеуіне әкеледі.
Заманауи күн энергия қондырғыларын құру концепциясы –
концентрацияланған сәулелердің фотоэлектрлік түрлендіргіштері үшін,
наногетероқұрылымы негізінде жаңа заманғы каскадты күн элементтерін
қолдану болып табылады. Гелиоқондырғылар үшін күн энергиясының
концентраттары – бұл бірнеше айналар (сәуле шағылтқыштар), олардың
ауданы күн панельдерінң ауданынан бірнеше есе төмен болады. Олар күн
панельдерінде әр түрлі иілу бұрыштарымен монтаждалады, сәулелік
ағындарды концентрациялап және ФЭП-қа (гелиоэлемент) бағыттау
бойынша таңдалады.
Гелиоқондырғыларда сәулелік энергия ағыны концентраторларын
қолдану күн энергиясын 40 %-тен жоғары ұстауға мүмкіндік береді, бірақ
концентрациялауда температура 100 °С-н жоғары көтеріледі. Арсенид-галлий
ФЭП
гетероқұрылымдары
кремниий
ФЭП-на
қарағанда
жоғары
температураларға (180 °С-қа дейін) төзімді болады, сондықтан оларды күн
сәулесінің концентраторларымен, жылу қозғалтқыштарымен және бу
турбиналармен пайдалануға болады, олар өз ПӘК ФЭП арсенид-галлиевых
гетероқұрылымдарын 30 %-тен (150 °C-та) 50–60 %-ке дейін көтеруге
мүмкіндік береді . Бірақ кремний арсенид галлийға қарағанда арзан, табуға
оңай және өндірісте игерілген. ФЭП арсенид галлий негізінде төмендету
тәсілдері қарастырылуда. Арсенид галлий гелиоэлемент қалыңдығы бірнеше
микрон құрайтын және каскадтар саны материал шығынына әсер етпейтін
каскадты жүйелерде қолданылады.
Қазіргі уақытта күн энергиясы фотоэлементтерінің түрлендіру ПӘК
монокристалдық кремний негізінде 12-15%-ке жетеді. Сонымен бірге
гелиоқондырғыларды құрудағы шығындары тек қана фотоэлементтерді
өндірудегі шығындарды ескергенде катом, жылу,гидроэлектр станцияларды
құрудағы шығындардан асып түседі. Бұл күн сәулесінің төмен тығыздығымен
түсіндіріледі. Күн сәулесін үлкен аудандарда жинақтау және оларды қымбат
тұратын фотоэлементтермен жабдықтау қажет.
Өндірілетін электр энергия құны дәстүрлі түрде өндірілетін электр
энергия құнына қарағанда жоғары болады. Уақыт өте келе күн элементтерінің
құны төмендейді, ең бастысы жартылай өткізгішті материалдарының
құнының төмендеуіне байланысты болады. Қазіргі уақытта күн
элементтерінің
өзіндік
құны
2-3
дол/Вт
құрайды.Жинақтамадағы
фотоэлектрлік гелиоқондырғылардың құны 3-4 дол/Вт болады, егер электр
энергия құны 0,25-0,56 дол/Вт .
Күн электр энергиясының құнын төмендету тәсілдерінің бірі сәулелену
концентраторларын қолдану болып табылады . Бұл жағдайда қажетті күн
элементтерінің ауданы және олардың құны күннің айналармен немесе
54
линзалармен шағылуының әсерінен концентрациялау еселігіне пропорционал
түрде төмендеуі мүмкін. Бірақ бұл жағдайда бірнеше проблемалар болуы
мүмкін. Ең алдымен сәулелену қуаты артқанда генерацияланатын
фототоктың тығыздығы артуы мүмкін, ол омдық шығындарды төмендету
үшін, күн элементтерінің құрылымын қиындатуды талап етеді. Екіншіден күн
элементтеріне жылу жүктемесі арттырылады, ол жылу бөлудің тиімді жүйесін
құруды талап етеді. Үшіншіден тиімділігі жоғары және арзан сәулелену
концентраторларын өңдеу талап етіледі. Төртіншіден күнді жоғары дәлдікте
бақылау қажет етіледі. Сонымен концентраторлар тиімділігін анықтауда
жоғарыда көрсетілген проблемаларды шешуде анықталған шығындар мен
фототүрлендіргіштердің
ауданын
төмендету
есебінен
құралдардың
экономиясының айырмашылығын анықтау қажет.
Қазіргі уақытта жылу қозғалтқыштарын қолданатын күн электр
станцияларын мұнаралық түрдегі КЭС немесе турбогенераторлық түрдегі
КЭС ретінде құрады. Мұнаралық КЭС күн сәулесін концентрациялаудың
жоғары дәрежесін қамтамасыз ететін гелиостат өрістері бар орталық
қабылдағыш қолданылады. Жүйені басқару компьютор көмегімен
жүргізіледі. Жылу қозғалтқышта жұмыс денесі ретінде температурасы
550°С-қа дейін су буы, ауа және басқа газдар 1000°С-қа дейін, төмен
қайнайтын органикалық сұйықтықтар (сонымен бірге фреондар) − 100°С-қа
дейін, сұйық металлдағы жылу тасымалдағыштар – 8000°С-қа дейін
қолданылады.
Достарыңызбен бөлісу: |