Вакуумды қабылдағыштар

Селективті жұтқыш беттерді пайдалану қабылдағыштағы радиациялық жоғалтулардың төмендеуіне алып келеді. Жоғары температураларға (мысалы, өнеркәсіп қажет ететін 100°С немесе одан да жоғары) қол жеткізу үшін конвективтік жоғалтуларды да азайту қажет. Жазық қабылдағыш астына қосымша шыны жабын орналастыру мақсатымызға қол жеткізудің бір әдісі болып табылады (сурет 5.1, ж және есеп 5.3 қараңыз). Ең үздік, алайда технологиялық тұрғыдан күрделі әдіс – қабылдағыш бет пен оның шыны қақпағы арасындағы кеңістікті вакуумдау.

 

Күн энергиясының басқа да қолданыс аялары

6.1. Кіріспе

Күн энергиясын тек су жылытудан басқа да қолданыс аясы бар. Әртүрлі мақсаттағы жылудың жинақталу және берілу теориясы 5-ші бөлімде берілген теориямен ұқсастығы көп, сондықтан да бұл бөлімде тек негізгі мәселелерді қарастырамыз.

Күн энергиясын ауаны, тұқымды кептіруге (§6.3) ғимараттарды жылытуға қолдануға болады.(§6.4) Бұл мүмкіндіктер экономика үшін аса маңызды. Әлемдегі жиналған дәнді дақылдардың көптеген бөлігі зиянды саңырауқұлақтармен бүлінуінің әсерінен пайдасыз болып қалады. Егер дұрыстап кептірсе, бұл мәселенің алдын алуға болады. Салқын климатты елдерде ғимараттарды жылытуға энергиялық ресурстың жартысына дерлік жұмсалады. Күн энергиясын қолдануға жарамды ғимараттар мен құрылыс нысандарын жобалау немесе қайта тұрғызу арқылы, энергетиканың шығынын жеңілдетіп, отынның жұмсалатын жылдық мөлшеріне кететін миллиондаған долларды үнемдеуге болады.

Дәндерді кептіру жылумен қатар су буының орын ауыстыруын талап етеді. Бұл мәселе сонымен қатар 6.6 - бөлімде талқыланған тұзды судан ауыз су алу үшін күн энергиясын қолдану кезіндегі, су тазарту жүйесінде аса маңызды. Жылу температурасының көтерілуінен жұмыс тиімділігі артатын жылу двигательдерінде де күн жылуын қолдануға болатыны анық. Кішігірім ауданға күн сәулесінің легін шоғырландыру арқылы жоғары температура алуға болады.

 

6.2. Ауа жылытқыштар

Дәндерді және тұрғылықты орынды жылыту үшін жылы ауа қажет. Күнмен ауаны жылытқыштар 5-ші бөлімде айтылған, сұйықтықты жылулықты жұтатын бетке қатынастыру арқылы қыздыратын, су жылытқыштарға ұқсас келеді. Жекелеп келгенде, желмен үрлеу кезінде сәулені қабылдау ауданының бағытының әсері мен жылу шығыны, екі типті жылытқышта да ұқсас болады.

6.1- суретте екі ұқсас құрылғылар берілген.Жұтылу бетінен ауаға берілетін, уақыт бірлігіне шаққандағы энергиясы төмендегі формуламен берілген:

P_u=ρCQ (T_2-T_1) (6.1)

Ауа тығыздығы су тығыздығының 0,001 бөлігін құрайды.Сондықтан да бірдей энергия мөлшерінде ауаның көлемдік шығыны Q аса жоғары болуы мүмкін.Бірақ ауаның жылуөткізгіштігі судың жылуөткізгіштігінен төмен болғандықтан, бірдей шарттарда жұтылу бетінен жылу ұстағыштарға энергияның берілуі өте баяу жүреді.Сондықтан да 6.1.а- суретінде көрсетілген типті жылытқыштар көбіне қабылдау беті бүдір болып немесе ауадағы жылудың берілуіне қажетті қабылдау бетінің ауданын көбейтуге, турбуленттікті жақсартуға арналған каналды ойықтармен шығарылады. 6.1.б - суретінде альтернативті нұсқада қабылдау аумағын ұлғайту мақсатында қабылдауыштың беті торлы немесе түйіршікті болып келетін типі берілген.

 

 

Жылу тасымалдау үрдісін талдау қиынға соғады, өйткені, қабылдау пластинасының ішіндегі және пластинадан сыртқы шыны беткейіне баратын жылу легі бір - бірімен тығыз байланысты болғандықтан пайдалы жылу мен жылу шығынын бөлу қиынға соғады. Бұл 6.2 - суретте көрсетілген диаграммада көрініп тұр.Әдетте, бірінші ретте бұл байланысты ескермейді де жылу легі үшін (5.1) теңдеуін қолданады (бұл келесі параграфтарда жасалынған).Ескере кету қажет, ауа жылытқыштар су жылытқыштарға қарағанда арзан болып келеді. Өйткені, оларға ауыр сұйықтықты құю қажеттілігі жоқ, оларды ашық түсті материалдардан жасауға болады және аяздан қорғау қажет емес.

 

6.3.Дәнкептіргіштер

Көпшілік ауылшаруашылық дәнді дақылдарды сақтауға қалдыру үшін кептіру қажет.Кептірілмесе ылғалды ортада жәндіктермен көгерткіш саңырауқұлақтар оларды пайдалануға жарамсыз етеді. Бұл мысалы бидай, күріш, кофе, копра (кокос жаңғағының жұмсағы) және орман материалдарына қатысты. Біз тек дәнкептіргіштерді қарастырамыз, өйкені, басқалары осыған ұқсас болып келеді. Оларда ауылшарашылық өнімдердегі ылғалдың айналадағы ауаға өтуі жүреді, сондықтан да, ең алдымен ауадағы су буы түріндегі ылғалдың, мөлшері анықталуы қажет.

Су буы және ауа. Абсолютті ылғал немесе су буының концентрациясы х деп, 1м3 ауадағы су буын айтады. Егер, температура Т болғанда, ылғалды х қанығу нүктесінен жоғары етіп көтеріп көрсек (мысалы, айдау арқылы), сұйық конденсацияланады. Қанығу ылғалы хs (әлде басқа да ылғал түрлері) Т температураға байланыстылығы психометриялық диаграммада көрсетілген (6.3- сурет). х/хs қатынасы салыстырмалы ылғалдылық деп аталады және 0-ден (абсалютті құрғақ ауа)100%-ке(су буымен қаныққан ауа) дейін өзгереді.

 

Құрамы 6.3- суретте көрсетілген В нүктесіне сәйкес келетін ауаны қарастырайық. Егер, оны ылғалды өзгертпей салқындатсақ сәйкесінше В нүктесі горизондалды түрде А нүктесіне қарай жылжиды. Бірақ, ауа су булануы кезінде де салқындатылуы мүмкін. Егер бұл қоршаған ортамен жылу алмасу болмайтын (егер ауа адиабаталық салқындатылса) жабық жүйеде орын алса, онда ылғалдылық өседі берілген нүкте диаганал бойынша жоғарға көтеріледі (ВС).

Ауылшаруашылық дәнді – дақылдар құрамындағы ылғал. Дәннің сынымасындағы ылғалдың пайыздық құрамы w төменгі формулаға сәйкес анықталады.

 

Бұл жерде m - сыныманың жалпы массасы; m0 - сынаманың құрғақ затының құрамы (ағаш үшін m0 анықтау сынаманы 105 оС температурада 24 сағ кептіру қажет). Бұл анықтаманы ормантанудағы стандартты болып табылатын, заттың («құрғақ масса» бойынша) құрамындағы ылғалды анықтауда пайдаланамыз. Басқа ауылшаруашылық түрлерінде «ылғал масса» бойынша ылғал құрамын анықтау пайдалануы мүмкін.

 

m0- ды анықтау әр дәннің немесе азық - түліктің түріне байланысты стандартты жағдайларға cәйкес лабороториялық жағдайда өткізілуі қажет.Температурамен кептіру уақыты шектелген, әсіресе дәндерге өйткені шамадан тыс кептіру дәнді жарып жібереді, яғни пайдасыз етеді. Кептіру кезінде дән ылғалды бірдей шамаға келтіргенше дейін қоршаған ауаға өткізеді. Оның шамасы ауаның температурасы мен ылғалына байланысты болады. Күріш үшін ауа температурасы 300C және ылғалдылығы 80% болғанда тең болады.Кептіру үрдісі бірқалыпты өтпейді. Ауылшаруашылық өнімнінде ылғалдың көп бөлігі кеуектерге жиналған суйық түрінде болады. Олар дәндер жиналғаннан кейін жойылып кетеді. Қалған су әдетте 30-40% заттың үстінгі бөлігінде химиялық байланысқан, сондықтан оны алу қиынға соғады. Дәнді дақылдарды тез, жиналғаннан кейін бірнеше күннің ішінде кептіру маңызды, өйткені су немесе ылғалды дәндердің көгеріп кету қаупі бар.

Энергетикалық баланс және кептіру температурасы. Егер де су буымен қанықпаған ауаны ылғалды материал арқылы өткізсе, ауа өзімен бірге буланған ылғалды алып кетеді. Булануға қажетті жылылық ауада және кептірілетін затта болады. Булану кезінде ауа салқындайды. Жекеленген жағдайда, егер, су массаның mw булану үрдісінде ауа көлемі V, Т1 температурасынан Т2 дейін салқындаса онда,

 

мұнда Л судың бу түзілгіштігінің меншікті жылуы ρ и с ауаның тығыздығы мен жылусыйымдылығы, қалыпты қысым және орташа температура мен температура айырмашылығының қалапты жағдайында.

Дәнкептігіштің құрылысының ең басты мәселесі қажетті суды жою мақсатында mw анықтау үшін V, Т1 анықтау болып табылады. Дән кеуіп кетпеуі үшін Т1 температурасы өте жоғары болмауы қажет. Бұдан да дәлірек есептеулер жүргізуге болады.Бірақ нәтижесі бірдей болып шығады.Үлкен көлемде өнімді кептіру үшін, үлкен көлемде құрғақ ауа қажет. Конвекция қажеті бар кептіру күрделі процесс болып есептеледі. Желдетусіз кептіру одан да қиын болып келеді, әсіресе температура мен уақыт шектеулі болса.

6.1.-мысал. Жиналған күріштің ылғал құрамы w=0,28.Ауа температурасы 300 С, салыстырмалы ылғалдылық 80 % болғанда күріш үшін wc =0,16 тең.6.3.- суретте көрсетілгендей ұқсас жағдайда салмағы 1000 кг күрішті 450 С температурада қанша ауа қажет екенін анықтаңдар.

Шешуі:6.2 теңдеудегідей m/m0 = w+1=1,28 сондықтан күріштің құрғақ массасы m0=780 кг құрайды.Сәйкесінше буландыру қажет сұйық массасы

 

Кептіргіштен шығатын жердегім ылғалды ауаның температурасы келесідей анықталады.Температура 300 С және салыстырмалы ылғалдылық 80 % болғанда 1 м3 ауаның абсалютті ылғалдылығы мыныдай болады

 

(6.3-суретіндегі А нүктесі).Егер,тығыздықтық кішігірім өзгерісін ескермесек, онда 450 С дейін жылытылған ауаның абсалютті ылғалдылығы сондай шамада болады. 6.3 – суретінде көрсетілген жағдай қарастырылғандықтан, күріш арқылы өткен ауа ылғалдырақ болады. Онда кептіргіштен шыққан ауаның параметрлері С нүктесімен (температура 300С шамасында) сәйкес келеді.Онда шығатыны

 

Бұдан да дәлірек есептеулер жүргізуге болады, бірақ нәтиже бірдей болмақ.Үлкен көлемдегі кептірілетін зат үшін үлкен көлемдегі жылы ауа айдау қажет болады. Әдейі жасалған конвекция арқылы кептіру күрделі мәселе болып табылады. Желдетусіз кептіру одан да қиын, әсіресе, кептіру уақыты мен температура шектеулі болса.

 

6.4. Күнмен жылыту жүйесі

Салқын климатты елдерде қыс мезгілінде ғимараттарды жылытуға көп энергия жұмсалады. Ауаның ыңғайлы температурасы ылғалдылыққа, күннен келетін сәулелер легіне, жел жылдамдығына, және адамның киген киіміне байланысты болады. Сыртқы температура Та 00 С дейін немесе одан да төмен деңгейге төмендегенде біздер жасанды жылудың Р boost белгілі бір мөлшерін қолдану арқылы бөлмедегі ыңғайлы температураны Тr ұстауға тырысамыз.

Ғимарат ішіндегі жылулық балансы келесі теңдеуде көрсетілген:

 

Пассивті күн жүйесі. Пассивті күн жүйесімен жылыту идеясы массасы m болатын күнге бағытталған жылуды қабылдау ауданын А таңдаудан және шығынға кедергі R ды таңдаудан тұрады.Таңдаған кезде қажетті күн жылуын құрылыс нысанына жеткілікті етіп таңдау керек. Бірінші қадам ғимаратты сапалы оқшауландыру (жоғары R), жел өткізбейтін және қадағаланатын желдету жүйесі бар, жылуды қалыпқа келтіру мүмкіндігі бар етіп таңдау.Қажетті құрылысы бар жаңа ғимаратта және терезесі ыңғайлы орналасқан болса, максималды GA алуға болады. Еске салайық, біз жоғары белдеудегі қысты айтып отырмыз сондықтан, күн сәулесінің үлкен бөлігі ғимараттың төбесіне емес вертикалды жарға түседі.

 

Күнге қаратылған бет қара түсті болуы шарт α>0,8 (6.4. сурет) температура Тr өзгерісін қадағалау үшін ғимараттың жары қалың салмақты (жоғары m) болу керек.

6.2- мысал. Үйді күн жылуымен жылыту. 6.4. а– суретте көрсетілген «Қара күншуақты үй» Вашингтонға арналып жобаланған, 380C солтүстік белдеу (оңтүстік жағында үлкен терезе, солтүстік жағында қалың қара қабырғасы бар).Барлық жағынан оқжауланғандықтан жылу шығыны тек терезеден шығады. Ішкі температура сырттқыға қарағанда 20 0 С болатындай етіп жылыту үшін қанша мөлшерде күн сәулесінің легі қажет екенін есептеңдер.

Шешуі: Егер де бөлмедегі температура бірқалыпты болса формуланы былайша жазуға болады.

 

Мұнда r вертикалды бір әйнекті терезеден сыртқа шығатын жылу шығынының термиялық кедергісі.3-ші, 4-ші бөлімдерде берілген әдістерге сүйене келесідей есептейміз.

 

Әйнектің өткізгіштігі τ=0,9 жұтылу коэффициент α=0,8 тең деп аламыз.

Бұндай шағылысуды қыстың ашық күнінде күнге қараған вертикалды терезеден күтуге болады.

Сапалы үйді күн мен жылытуға болады деген бар,бірақ күн сәулесінің пассивті жүйесін құру тәжірибеде қиынға соғады.

6.3 Мысал. Мысалы, есептеулер бойынша «Қара күншуақты үйде» (6.4. а–суретте) 2×4×5м3, ішкі ауа температурасы күндізгі сағат 4-де 200 С құрайды. Ертеңгі күннің таңғы сағат 8-де бөлмедегі ауа температурасын анықтаңдар. Егер:

жұту қабырғасының қалыңдығы 10 см, бөлмеде бір терезе бар; 2) жұту жарының қалындығы 50 см, терезе ішінен қалың пердемен жабылған.

Шешуі. Егер G= Pboost=0 теңдеуі (6.5) былай түрленеді.

 

Мұнда С=mc.

Бұл теңдеудің шешімі:

 

Та тұрақты болады.Бұрынғыдай барлық шығынын тек терезе арқылы деп есептейді.Терезенің ауданы 10 м2. Жұту қабырғасы бетоннан деп аламыз.

16 cағаттан кейін үй ішінде ауа температурасы сыртқы температурадан

(200 с) exp (-16\4) = 0,40 C.

2)Перденің болуы екі қабат терезе әйнегіне сәйкес келеді,сондықтан да 5. 1 кестеден мыныны аламыз.

 

 

Бұл есептер m және R жылу балансына әсерін білдіреді, сонымен қатар перде сияқты заттардың маңызды әсерін білдіреді.

Стандартқа сай үйдің жылу балансының талдауы өте қиын, өйткені, жұтылудың қиын геометриясының, қабырғадан шығынның болмауы, адамдардың болуы, жарықтандыру құрылғыларының жылуының әсері бар.Үйдегі адамдардың зат алмасу процесінен шыққан жылуының әсері теңдеудің Pboost бөлігіне өзгеріс әкеледі. Әр адамға 100 Вт қосу қажеттілігі туады. Бөлмені желдету үшін 2-3 рет ауа алмастыру қажет, жылуалмастырғыштарсыз шығыннын алдын алу мүмкін емес.Тіке жылыту жүйесінің кемшілігі болып жазғы уақытта күндіз өте ыстық болуы мүмкін. Бұл кемшіліктен шатырдың аумағын үлкейту арқылы азайтуға болады. Егер жарларды күн сәулесін жинақтаушы ретінде салатын болсақ, жылуды көбейтіп реттеуге болатын етіп алуға болады. Мысалы, 6.5 – суретте бетонды плитадан жасалған қалыңдығы 30см болатын сырты әйнек жоғарысы мен төменінде жарығы бар қабырға көрсетілген. Қыста ауа 6.5 – суреттегідей алмасады. Жүйе орнатылған жылу айналымы бар ауа жылытқышы ретінде жұмыс жасайды (айналымды жиілету үшін желдеткішті қолдануға болады). Жазғы уақытта төбе көлеңке жасауы мүмкін немесе салқын жақтан салқын ауа кіргізуге болады. Эстетикалық жағынан бетонды қабырғадан кішкентай терезе шығарады.

 

 

Қалыпты компрессиондық тоңазытқыштарда жұмыс сұйықтығы жоғары қысымның әсерінен жылуалмастыру үрдісі кезінде буланады. Қысым компрессор арқасында ұсталынады.Абсорбциялық тоңазытқышта қажетті қысым генератордағы хладагенттің буының қысымының өзгерісінен пайда болады. Генераторда сұйық хладагенттің концентрацияланған хладагентті буы бар суйықтықтың ерітіндісінен пайда болады. Абсорбциялық тоңазытқышта температураны генератордағы қысым конденсатордағы қысымға парапар боғанша жоғарылату үшін жылуға қосу қажет. Әдетте, салқындатқыш сұйықтық ретінде салқын су қолданылады. Абсорбент ретінде бромид -натрия қолданылыды.

 

 

Абсорбционды тоңазытқыштардың жұмысына қажетті жылу күн энергиясымен жылынатын жылытқыштардан алынуы мүмкін. Жалпақ пластиналы күн жылытқыштары салыстырмалы түрде арзан жүйе болғаны мен кемшілігі дайындау қиындығы мен төменгі тиімділігі болып табылады.

Ст = тоңазытқыштың бөлмеден алған жылуы =0,7 (6.7)

генератордың қолданатын жылуы

 

Күн энегиясын пайдаланатын тоңазытқыштардың түрлері көп. Соның ішінде 24 сағаттық циклмен жұмыс жасайтын құрылғылар жеткілікті. Пассивті құрылғылар ыстық климатты аудандарда ғимаратты салқындатуға арналған ең жақсы құрылғылар. Оларда табиғи салқын лебті ауа (ылғалды аудандарда), түнде немесе қыста жиналып, салқындатылған ауа (құрғақ аудандарда), кей кезде салқын ауаның әдейі конвекцияланған түрі қолданылады.

Аз көлемдегі азық түлікті салқындату үшін қолданылатын өндірістік тоңазытқыштар мен мұздатқыштар да күн элементтері немесе батареялары арқылы қоректенуі мүмкін. Қазіргі уақытта бұл стандартты энергожелілерден алшақ орналасқан аудандар үшін ғана тиімді болып отыр.

 

6.6. Суды тазарту

Шөлді аймақтарда өмір сүруді қамтамасыз ету үшін ауыз сумен және суару және басқа да мақсаттар үшін шикі сумен қамту керек. Көптеген шөлді аймақтарда мысалы Австралияның жерасты тұзды суы жеткілікті.Таза суды басқа жерден алып келгеннен гөрі сол суларды тазартқан тиімді болып келеді. Шөл далада күн сәулелері жерді көбірек қыздырады.Сондықтан күн энергиясын қолданудың маңызы зор.Ең қарапайым түрі күн дистиллятор -қауыздарын пайдалану болып табылады. Ол түбі мен қабырғалары қара түсті терең емес қауыздан тұрады. Қауыздың беті түссіз бу өткізбейтін қақпақпен толық жабылған. Қақпағы күн сәулесіне қарай бағытталған. Дистиллятордың жұмыс жасау кезінде күн сәулелері қақпақ арқылы өтіп суды жылытады. Судың белгілі бір бөлігі булунады. Буланған су жылу конвекциясы арқылы жоғары көтеріліп (1), салқын қақпаққа (2)жанасқаннан кейін конденсацияланады. Конденсацияланған ылғал тамшылары қабылдағыш желобта жинақталады.

6.4- мысал. Идеалды күн дистиляторының өнімділігі.Құрғақ күнді аудандарда сәулелену ағыны күніне 20 МДж∙м^(-2) құрайды.Су булануының меншікті жылуы 2,4 МДж∙м^(-1).Сондықтанда, егер барлық күн жылуы буландыру үшін жұмсалатын болса, барлық буланған су жинақталса, онда дисиллятордығы жұмыс өнімділігі келесіні құрайды.

 

(20 МДж∙м^(-2)∙〖день〗^(-1))/(2,4 МДж∙м^(-1))=8.3 кг∙м^(-2)∙〖день〗^(-1)

 

Бұдан көретініміз, аз ғана адамдарды ауыз сумен қамту үшін әйнекті, үлкен ауданды тазартқыштар керек болады.

Шын күн дистиллятордың өнімділігін анықтау үшін күн энергиясының қандай шамасы булундыруға жұмсалатының білу қажет. Судың беткі қабатының бірлігі келесі теңдеумен беріледі.

 

mc (dT_ω)/dt=α_ω∙τ∙G-q_b-q_r-q_ϑ-q_e, (6.8)

 

Бұл теңдеу 5 -бөлімдегіге қарағанда өзгеше(6.7a -сурет).

Біріншіден, qe жылудың орын ауыстыруын білдіретін шамасы, екіншіден су тамшыларының өзі де шағылысатының білдіретін τ аз шаманың өзгешілігі бар. Жеңіл болуы үшін дистиллятор жақсы оқшауланған деп аламыз, сондықтан түбі арқылы шығын болмайды.

Радиациялық легі үлкен паралельді беттер үшін сәулелену қабілетінің бірлігімен анықталады.

 

q_r=4δ_ω∙[(T_ω+T_g)/2]^3∙(T_ω-T_g) (6.9)

 

Конвекциялық жылу легін былай жазуға болады.

q_r=h_ϑ∙(T_ω-T_g) (6.10)

 

Мұнда hv жылу бергіштік коэффициенті.Жылубергіштік булану үрдісінде буланған судың қақпаққа дейінгі қозғалысына байланысты болады.Қақпақта ылғал конденсацияланады өйткені жылыған бу жоғары көтерілгенде жылу тасымалдайды. Ауданның бірлігіне шаққандағы жылу легі:

q_ϑ=2∙ρ∙c∙(Q/A)∙∆T (6.11)

 

2 көбейткіші жылынған будың жоғары қарай ал салқындаған будың төменге қарай қозғалуынан пайда болады. Ауаның бос конвекциясы үрдісінде болатын, аудан бірлігімен өтетін нәтижелі бу массасын (6.10) және (6.11)ескере отырып, былай аламыз

 

W=m ̇/A=2∙(Q/A)∆χ=h_ϑ∙ρ^(-1)∙c^(-1)∙∆χ (6.12)

 

Буланукезіндепайдаболыпауданбірлігіненөтетінжылулегінбылайанықтаймыз

q_e=W∙∧ (6.13)

 

6.7-cуреттекөрсетілгендистилляторүшін

 

q_e=h_(υ) Λρ^(-1) c^(-1) [χ(T_ω)-χ(T_g)] (6.14)

 

6.7- суреттекөрсетілгенхөлшеміүшін

 

h_υ=Nuκ/x

 

Нуссельтсанынқолдануарқылымыныныаламыз

 

h_v=0.062(x/k)Ra^(1/3) (6.15)

 

Рэлея саны болғанда

 

Ra=gβx^3 (T_w-T_g)k^(-1) v^(-1) (6.16)

Қатаңтүрдеайтқандаталқыланған (ρ,k жәнет.б.)ауаныңбарлыққасиетібуконцентрациясынасәйкесылғалдыауағажатады. Бірақ, әдеттех ≤ ρ, сондықтан, жақсыкелтіруарқылықұрғақауаүшіндеқолдануғаболады. 6.8.- суреттеосытеңдеулергенегізделгенесептердіңнәтижесікөрсетілген.Мұндабулануғажұмсалатынжылубөлшегі (Тw-Тg) байланыстыемес, бірақсутемпературасыТw жоғарылығандатезжоғарылайтыныкөрінеді. Бұлкүтугеболатынжағдай, өйткеніχ (Тw) буконцентрациясыТw қарағандатезжоғарылайды (6.3- суреттіқараңыз).6.8-суреттенкөретінімізқарастырыпжатырғанқауыздағысуыбар, шамамен 500 C дейінқызытын, дистилляторүшін, 6.4 мысалдаесептелгенде, максималдыөнімділік 60%, күніне 5 л∙м^(-2) құрайды.

Еңпайдалысыкөпсатылыдистилляторлардықолдануболыптабылады. Олардашикісудыдистильдегенненкейінгіжылу, келесітұздысубөлшегінбуландыруғажұмсалады. Екіншісубөлшегінконденсацияланғандағыжылусәйкесіншеүшіншісубөлшегінеқолданадыжәнесолайқайталанабереді.

Мұндайбуландырғыштардытәжірибедеқолданукүрделіжүйеніңәсеріненжылубергіштіктіңтолықболмауыменшектеледі. Күндистилляторыныңэкономикалықтиімділігібасқасукөздерініңбағасынабайланыстыболады. Жауын –шашынныңжоғарынемесеорташадеңгейліаудандардақайсібіркүнқұрылғыларынанқарағанда, көбінесусақтаужүйелерінсалғантиімдіболыпкеледі. Басқанұсқасында, суқарама – қарсыбағытталған, судыерітілгензаттаноқшаулайтынарнайымембранаарқылыайдалыптазартылатын, жүйекөбінеарзанболыпкеледі.

 

6.7. Күнтоғандары

Үлкенкөлемдісұйықтықтарды 1000C төментемпературағадейінжылытуқажетболғанкезде 5 -бөлімдекөрсетілгенстандарттыжылытқыштаркөбінеөтеқымбатболыпкеледі. Күнтоғаныжылуқорғағышқақапағысуболыпкелетінбірегейжылытқышболыптабылыды. Үлкентоғандыжердіқазыпжасауғаболады. Бұлсалыстырмалытүрдеарзанғатүседі. Күнтоғандарықұрамындажылужинағыштарыбардепескерсеколардыңқолданысаймағыайтарлықтайкеңиді.

Күнтоғандарынаәртүрлідеңгейдетұздалғанбірнешеқабатсуқұйылады. Қалыңдығы 0,5 мболатынеңтұзыкөпсуқабатытүбіндеболады.(6.9сурет)

Күнсәулесісуқоймасыныңтүбіменжұтыладыжәнетүбінежақынсужылынады. Қарапайымбірқалыптысуқоймасындажылынғансуқоршағанбасқасуларғақарағандажеңілболадыда, жоғарыбеткеконвекцияүрдісінәтижесіндекөтеріліпсубетіндегіауағажылудыбереді. Бірқалыптыемессуқоймасындасутүбінежақынқабатүстінгіқабатқақарағандатұзыкөпболғанысоншалық, қызығанкездетығыздығытөмендеседе, үстіңгіқабаттыңтығыздығынанжоғарыболады. Сондықтан да конвекция жүрмейді түпкі қабат одан әрі қыза береді.

Температура көтерілгенде тығыздығы артатын кейбір ерітінділер бар.Осындай ерітінділерді қолдану тұрақты тоғандарды болдырады.

Түпкі қабаттағы температураның жоғарылауы, күн сәулесінің қозғалмайтын жоғары қабаттармен өткендегі шығынмен шектеледі. Есепте көрсетілгендей бұл жағдайдағы жылу шығынының кедергісі стандартты жалпақ жылытқыштардың термиялық кедергісіне сәйкес келеді (6.3 –есепті қараңдар). Күн тоғандарында 900 С- ден жоғары тұрақты температура сақталады. Кейбір тиімдірек жүйелерде судың қайнауы байқалған.

Айта кететін жағдай, күн тоғанын толтыру үшін бірнеше ай қажет,өйткені, жоғарғы қабаттарын жылдам толтыратын болса турбуленттік әсерінен төменгі су жоғарғы су қабаттарымен араласып кетеді де стратификация сақталмай қалады.

Күн тоғандарының жылу сыйымдылығы мен термиялық кедергісі жылуды қыс мезгіліне дейін түпкі қабатта сақтауға мүмкіндік береді(6.3- есепті қараңыз).Бұл жылуды қыста ғимараттарды жылытуға қолдануға болады. Күн тоғандарын бұдан да басқа өндіріс нышандарында тұрақты жоғары температуралы жылу көзі немесе электроэнергия көзі ретінде қолдануға болады.

Израильдегі Эйн –Борекеде күн тоғаны 0.74 га ауданда, 1 кВт∙сағ 0.10 доллар болатын, 150к Вт электроэнергияны шығарады.

 

6.8. Күн энергиясының концентраторлары

 

Негізгі жағдайлар.Көптеген мүмкін болатын құрылғылар ең жақсы пластиналы қыздырғыштар арқылы алуға болатын температурадан жоғары температураны талап етеді. Жұмысшы сұйықтығы 5000 C дейін қыздырылғанда механикалық қозғалыс жасайтын стандартты жылу қорзғалтқышын іске келтіреді, сәйкесіеше, қажет болса электроэнергияны да жасай алады.Сәуле шағылыстыратын материалдар жасау одан да жоғары температураны (шамамен 20000 C) талап етеді. Концентациялағыш коллектор сәулелерді жұтатын және оларды басқа түрлі энергияға өзгерте алатын қабылдағыштан, сәуле легін қабылдағышқа бағыттайтын оптикалық жүйеден тұратын концентратордан (мысалы 6.10- суретте көрсетілгендей) тұрады. Әдетте, концентратор күн сәулесінің келу бағытына сәйкес қозғалып тұруы талап етіледі.

Аа жүйесінің аппертурасы дегеніміз сәулелерге бағытталып тұратын концентратордың ауданы болып табылады.Аппертураның қабыдағыш беттің ауданына қатынасы концентрация коэффициенті Х-ны анықтайық.

 

X=A_a/A_r (6.17)

 

Идиалды коллектор үшін қабылдағыштағы сәуле легінің тығыздығының концентатордағы сәуле легінің тығыздығына қатынасын Х анықталады. Х-ны қарапайым жроғарылату арқылы қабылдағыш температурасын шектеусіз көтеру мүмкін емес, өйткені Кирхгоф заңына сәйкес қабылдағыштың температурасы Tr

Күннің эквивалентті температурасына Тs жетуі мүмкін емес. Күнге дейінгі қашықтық және радиуспен концентрация коэффициентімен шектелетін шамамаен Жер бетіндегі шеткі бұрышты анықтайды (6.4- есепті қара).

 

X<〖(L/R_s)〗^2=45000 (6.18)

 

Төменде бұның жетуге болатын Tr және Х қалай көп шектейтіні көрсетілген.

7 -бөлімде күн фотоэлементтері талқыланады (7.24- суретке қара).

Параболалақ майысқан концентратор.6.10,а – суретінде осы типтес коллектор көрсетілген. Концентратор ось бойымен орналасқан ұзындығы l болатын параболалаық айна сияқты. Бұл энергия концентрациясын тек бір бағытты ғана жасайды.Сондықтанда концентрация коэффициенті параболлоидқа қарағанда аз, бірақ бірқалыпты орнату оңай. Сонымен қатар әдетте коллектор күн бағытымен қозғалып тұруы шарт. Осьті батыстан шығысқа қарай орнатады. Айна автоматты түрде күн бағытына сай осьті айналады. Қабылдағыш түтіктің энергиясы мыныған тең болады.

 

P_abs=p_c αlDG_b (6.19)

 

Мұнда,ρс- концентраторшағылысукоэффициенті; α-қабылдағыштыңжұтукоэффициенті; lD- аудан; Gb айнаныңорташасәулеленуі.6.10.- суреттекөрсетілгенэкранжұтқыштыңжылушығыныназайтады. Соныменқатарбасқажақтанкелетінконцентрацияланғансәулегеқарағандаескермеугеболатынтіксәулеленуденқорғайды. Қабылдағышэкранменқорғалмағанжақтанғанаэнергияныжоғалтады.Сәйкесіншеол

 

P_rad⁡= ε(σT_r^4)(2πrl)(1-ξ/π) (6.20)

 

мұнда Tr,εжәне r – сәйкесіншетемпература, түтіктіңсәулеленуқабілетіменжұтурадиусы. Шығындыминимилизациялауүшін r радиустыазайтуқажет, алтолықэнергия P_abs жоғарылатуүшінкүндискісініңөлшемінесәйкестүтікалынуықажет. Сондықтан, таңдауосылайболады

 

r=D’θ_s (6.21)

(6.10- суретіндекөрсетілгендейшама). Радиациялықтанбасқажылушығындардыескермеугеболады P_rad= P_absдепалыптемпературанытабамыз.

T_r=[(αρ_c τ_a G_0 cosω)/εσ]^¼ [D/(2πr(1-ξ/π))]^¼ (6.22)

Айнадағыэкранкөлеңкесіазболғандабұлшамамаксималдыболады, яғниξ→π-ψ

болғанда. Теңдеудіңекіншіжақшасындағыгеометриялықшаманыбылайтүрлендіругеболады 1/ θ_s. Өйткенімаксималдытемпературамынанықұрайды.

T_r^((max))=[(αρ_c τ_a G_0 cosω)/(εσθ_s)]^¼=1160K (6.23)

 

Қалыптыжағдайүшін G_0=600 Вт ∙м^(-2);ρс =0,8; α/ε=1; θs=Rs/L=46610∙〖10〗^(-3) рад; σ=5,67∙〖10〗^(-8) Вт ∙м^(-2)∙К^(-4). ЖалпақпластиналыбеттеналуғаболатынтемпературадантемператураТr =1160 Кәжептәуіржоғары(5.1-табл.салыстыр).Тәжірибедежететінтемпературамаксималдытемпературадан T_r^((max))2 себеппенбайланыстытөмен.1)шынайнадәлпараболатүріндеболаалмайды, сондықтандаЖерденКүндискісінбақылайтынжартыбұрышбылайболадыθ_s^/>θ_s=R_s/L 2) пайдалыжылусуйықтыайдауарқылышығарылыдысәйкесінше,

 

T_r^4 αP_rad=P_abs-P_u<P_abs

 

Сөйтседеқолайлыжағдайлардасұйықты 7000 Сдейінқыздыруғаболадықыздыруғаболады (6.5-есептіқара).

6.22. теңдеуденқарапселектикалықбеттісα/ε>1 қолдануарқылыТr – дыодандажоғарылатуғаболады, бірақбұндайбеттердіңартықшылығыкөпемес, өйткеніселективтікәртүрліспектрдеαжәнеεорташашамасыменанықталады.

Шындығында, анықтамаларғасәйкес

 

α=(∫_0^∞▒α_(λφ_(λ,in) dλ))/(∫_0^∞▒φ_(λ,jn) dλ); ε=(∫_0^∞▒ε_(λφ_(λ,B^dλ)))/(∫_0^∞▒φ_(λB^dλ)) (6.24)

СәулелендіругесәйкесТr жоғарылағансайын, толыққаратүстізаттағыэнергиятаралуыφλ,В(Тr) күнспекрініңэнергиясыныңшамасынажақындайдыφλ,іn = φλВ(Тr). Кирхгофзаңынасайәртүрлітолқынұзындығынаλсәйкесіншеαλ = ελ. тең. (6.24) қарағанда былай болады T_r→T_s α/ε→1.

 

Параболалық көлемді концентратор. Егер көлемді концентраторды қолданса, энергия концентрациясын екі бағытта жүреді. Бұл әдіс бір кеңістіктіге қарағанда Күн бағытын бақылайтын күрделі жүйені жобалауды талап етеді. Бұл әдіс астрономияда қолданылады. Егер айна параболалақ айналысты болса, ең жақсы фокусировканы береді. Оның параметрлерін жоғарыда көрсетілген есептерден табуға болады. 6.10.б суретте параболла қимасына сәйкес. Қабылдағыштың пішіні сфера тәріздес. Максимальды болатын температура былай анықталады ξ→0. ψ→π/2.

 

T_r^((max))=[(〖αρ〗_c τ_(αG_0))/(4εσθ_s^2)] (6.25)

 

Бұл теңдеуді (6.3) салыстыра отырып көретініміз бұл жағдайда барлық концентратор Күнге қарай бағытталатының көреміз және θ_s (2θ_s /sinφ)2-ге өөзгертілген, өйткені Тr(max) әжептәуір артады. Шындығында да идеалды жағдайда sinφ=α=ρs=τa=ε=1, онда біз бірқалыпты жағдайға қарағанда жоғарырақ температура Тr = Тs аламыз. Бақылау дәлдігіне және параболалық айнаның профилінің қателігіне қарамасақ та, күрделі құрылымын ескермесек те температура тәжірибеде 3000 К барады.

Күнді бақыламайтын концентраторлар.Жоғарыда берілген құрылғылар, бақылау және дайындау дәлдігі жоғары болғандықтан, жоғары концентрация коэффициентін ала алатын құрылғылар болып есептеледі. Бірақ, кей кезде төмен концентрациялы арзан коллекторлардың өзі пайдалы. Өйткені, кей кезде, концентрация коэффициенті 5, әр күн элементінің ауданы ауданы 1 м2, жалпы ауданы 5 м2 болатын концентраторларды қолдану арзанға түседі, ауданы 5 м2 болатын күн элементтер жүйесіне қарағанда. Бұндай құрылығы одан да арзанға түседі егер концентраторлар күнді бақыламайтын болса. Бірақ ескеру керек бұл жағдайда күн элементтерінің жарықтандырылуы толық болмайды.

6.9. Электроэнергия алуға бағытталған күн жүйелері.

Күн энергиясының концентрациясы пайдалы әсер коэффициенті тиімді болатын жылу қозғалтқыштарының жұмысына қажетті жоғары температура (Т≥7000С) алуға мүмкіндік береді. Диаметрі 30 м болатын параболалық концентраторлар жасау өте күрделі болып келеді, дегенмен бұндай құрылғының қуаттылығы мыныны құрайды

 

π〖(15 м)〗^2 (1кВт∙м^(-2))=700кВт,

 

Бұл 200 кВт электроэнергия алуға мүмкіндік береді. Бұл кішігірім энерго жүйелерге жеткілікті, бірақ тұрақты коммуналды желілерге емес.

Осындай әдіспен біз әжептәір үлкен, 10 МВт электроэнергия алуға болатын күн электростанцияларын салуға бола ма? Бұл үшін екі нұсқа бар: жинақталуға бағытталған коллекторлар және орталық күн мұнарасы бар жүйелер.

Жинақтауға бағытталған коллекторлар. 6.11- суретте әрбіреуі күнді бақылайтын, көптеген кішкене жинақтауға бағытталған коллекторлардан тұратын жүйе көрсетілген. Концентраторлар параболоид пішінді болуы міндетті емес, бірақ әдетте, болғаны құпталады. Әр коллектор күн энергиясын жылутасымалдаушы – сұйықтыққа береді, барлық коллекторлардан шыққан ыстық сұйықтық

 

орталық энергостанцияда жинақталады. Егер бу турбинасында дұрыс қолданатын болса, жылу тасымалдағыш су буы болуы мүмкін немесе мысалы, диссоцияцияланған аммиак болуы мүмкін. 6.12- суретте аммиакты диссоцияциялау мен синтездеу негізделген құрылғы көрсетілген.

Соңғы жүйенің тиімділігі болып химиялық реагенттер қолданған кезде қозғалтқыш пен коллектор арасында шығынның болмауы болып табылады. Өйткені жылу үлкен қашықтыққа ұзақ уақыт ішінде беріле алады (мысалы кештен бастап түн бойы, бұл электроэнергияның үздіксіз генерациялануын қамтамасыз етеді). Бұл жүйеде күн сәулелері жоғары қысым (30МПа) әсерінен газды аммиактың сутегі мен азотқа диссоцияцияланатын қабылдағышта шоғырланады. Бұл реакция эндотермиялық болып есептеледі, энергия дефекті ∆H= -46кДд/мольNH3 құрайды. Күн сәулеленуі реакцияға қажетті энергия жүйесін қамтиды. N2 мен H2 синтездеу камерасында катализатордың болуы бір бөлігін рекомбинациялайды. Бұл кезде шығатын жылуды сырты жылу қозғалтқышын немесе басқа құрылғыға қолдануға болады. Синтездеу камерасынан шыққан легі салқындайды, бұл аммиактың сұйылуына әкеледі.6.6. және 6.7. есептерде бұл туралы тереңірек талқыланады.

 

 

Фотоэлектрлік генерация

Кіріспе

Фотоэлектрлік генерация- жартылай өткізгіштердің электромагниттік сәулелерді жұтуы кезіндегі оң және теріс заряд тасымалдаушыларға бөлінуіне негізделген. Бұл зарядтар электр өрісі болған жағдайда сыртқы электр тізбегінде ток шығара алады. Өткел немесе материалдың біртекті еместігі бар жерлерде ішкі электростатикалық өрістер болады. Күн сәулесінің тығыздығы 1кВт/м² шамасында болған кезде, фотоэлементтердің ішкі өрісі жартылай өткігіш – жартылай өткізгіш немесе металл – жартылай өткігіш құрылымында болған кезде, 0,5В-қа тең потенциалдар айырымын және 200 А/м² ток тығыздығын туғызады. Орташа сәлелену кезінде өнеркәсіптік фотоэлементтердің ПӘК-і 10- 20 % аралығында болады және олар күніне 1-2кВт/м² электрэнергиясын өндіреді.

Жартылай өткізгіштерден тұратын құрылғы фотоэлемент немесе күн элементі деп аталады. Олар ЭҚК-нің көздері болып табылады. Фотоэлетрлік құрылғылар сәулелер ағынында жұмыс істейтін электр энергиясының көздері болып табылатынын айтып кету керек. Күн элементтерінің электр тогын өндіруі сәулеленудің тәуліктік, маусымдық және кездейсоқ өзгеруіне тікелей байланысты. Күн энергиясын тиімді пайдалану фотоэлементтің ПӘК-іне ғана емес, сондай-ақ сыртқы электр тізбегіндегі динамикалық қысым конситенцииясына байланысты. Бұл жағдайда фотоэлектрлік құрылғы электр түрлендіргіштер сияқты, бірақ кейбір бөлшектеррінде айырмашылықтар бар[мысал, тұрақты ток түрлендіргіштерді максимал қуат кезіндегі қысымды реттегіш ретінде колданады].

Көптеген фотоэлементтер кремнийлік жартылайөткігіш фотодиодтар болып табылады. Алғашқы фотодиодтар 1954 жылы пайда болған. Фотодиодтар жасау технологиясы тез жетілуде. Қазіргі кезде жартылайөткізгіштік күн батареялары Жердің жасанды серіктерін энергиямен қамтамасыз етуде.

1974-1984 жылдар аралығында фотоэлементтің толық бағасы 1 Вт максимал қуат үшін 100 долл(АҚШ)-дан 4 долл-ға дейін тқмендеді. Бұл бағаны 1 Вт үшін 0,8 долл-ға дейін төмендету қарастырылуда. Фотоэлемент бағасы 1Вт үшін 4 дол болған кездеде өндірілген энергияның бағасы 1 кВт*сағ үшін 16 цент болады. (Фотоэлементтерден алынған энергияның бағасы дизель генераторларынан алынған электрэнергиямен бесекелесе алады, әсіресе алыс елдімекендерге жанармайды жеткізу мен қызмет көрсету бағасы жоғары болуы мүмкін). Фотоэлементтерді қолданудың негізгі аймағы – бұл Жер шарының жасанды серіктері, алыста орналасқан радиобайланыс станциялары мен теңіз сигналдары. Алдағы бірнеше жылда фотоэлементтер дамушы елдердің ауыл жерлерінде жарықпен және сумен қамту жүйелерінде кеңінен қолданылуы жоспарлануда. Келесі парграфтарда фотоэлементтердің жасалу технологиясы мен жұмыс істеу принциптері қарастырылады. p-n өткелі бар монокристалды кремнийлік фотоэлементтерге алдынала анализ жүргізіледі, өйткені олар карапайым және кең тараған. Бұның негізінде фотоэлементтердің басқа модификациялары зерттелуі мүмкін. 7.5 парагроффында күн фотоэлементтерін практикалық қолданылуына ұсыныстар берілген.