Қызметова Аяжан Байызаққызы

6B05301 -ғылыми физика мамандығы

жетекші: АЙДАРХАНОВА АЙНАШ КАЗЫБЕКОВНА

Ш. Уәлиханов атындағы Көкшетау университеті, Көкшетау қ.

КҮН ЭНЕРГИЯСЫ және оның болашағы

Аңдатпа: Бұл мақалада күн энергиясының қазіргі заманғы энергетика саласындағы маңызы, оны тиімді пайдалану жолдары және электр энергиясына айналдырудың негізгі әдістері қарастырылады. Сонымен қатар, күн сәулесін электр энергиясына түрлендіретін фотоэлектрлік жүйелердің жұмыс істеу принциптері талданып, олардың құрылымы мен қолданылу ерекшеліктері сипатталады. Мақала барысында күн энергиясын пайдаланудың артықшылықтары мен кемшіліктері жан-жақты салыстырылып, оның экологиялық тазалығы мен экономикалық тиімділігіне ерекше назар аударылады.

Сондай-ақ, күн энергиясын сақтау технологиялары, соның ішінде аккумуляторлық жүйелер мен заманауи энергия сақтау әдістері қарастырылады. Күн энергиясының ауа райы мен табиғи жағдайларға тәуелділігі сияқты мәселелер де талқыланып, оларды шешудің мүмкін жолдары ұсынылады. Бұдан бөлек, күн энергетикасының қазіргі даму деңгейі мен әлемдік тәжірибесі сараланып, әртүрлі елдердегі қолданылу мысалдары келтіріледі.

Кілт сөздер: күн энергиясы, фотоэлектр, энергия, экология, жаңартылатын энергия, күн панельдері

Қазіргі таңда адамзат өркениеті қарқынды дамып, энергияға деген сұраныс жыл сайын артып келеді. Өнеркәсіптің, көліктің, ауыл шаруашылығының және тұрмыстық салалардың дамуы электр энергиясын тұтынуды бірнеше есе көбейтті. Алайда дәстүрлі энергия көздері – көмір, мұнай және табиғи газ – бір жағынан шектеулі ресурстар болып табылса, екінші жағынан қоршаған ортаға айтарлықтай зиян келтіреді. Бұл ресурстарды пайдалану барысында атмосфераға көп мөлшерде көмірқышқыл газы бөлініп, жаһандық жылыну мен климаттың өзгеруіне алып келуде. Осыған байланысты қазіргі таңда энергия өндірудің баламалы, экологиялық таза және сарқылмайтын көздерін іздеу мәселесі ерекше өзекті болып отыр.

Жаңартылатын энергия көздерінің ішінде күн энергиясы ең қолжетімді және болашағы зор бағыттардың бірі болып саналады. Күн – Жер бетіндегі барлық тіршіліктің негізгі энергия көзі. Күн сәулесі арқылы табиғатта көптеген процестер жүзеге асады, соның ішінде фотосинтез, климаттың қалыптасуы және су айналымы. Ғалымдардың есептеуі бойынша, Жер бетіне түсетін күн энергиясының мөлшері адамзаттың барлық энергия қажеттілігін толық қамтамасыз етуге жеткілікті. Сондықтан күн энергиясын тиімді пайдалану арқылы энергия тапшылығы мәселесін шешуге және қоршаған ортаны қорғауға мүмкіндік бар.

Күн энергиясын пайдаланудың тарихы ерте заманнан бастау алады. Адамдар ежелден күн сәулесін жылу көзі ретінде қолданған, мысалы, тұрғын үйлерді жылытуда немесе ауыл шаруашылығында өнімдерді кептіруде пайдаланған. Алайда күн энергиясын электр энергиясына айналдыру технологиялары тек ХХ ғасырда ғана қарқынды дами бастады. Фотоэлектрлік элементтердің пайда болуы күн сәулесін тікелей электр энергиясына айналдыруға мүмкіндік берді. Бүгінгі таңда бұл технологиялар жетілдіріліп, әлемнің көптеген елдерінде кеңінен қолданылуда.

Қазіргі уақытта күн энергетикасы жаһандық энергетикалық жүйенің маңызды құрамдас бөлігіне айналып келеді. Көптеген дамыған және дамушы елдер күн энергиясын өндіру көлемін арттыруға бағытталған мемлекеттік бағдарламалар қабылдауда. Бұл, ең алдымен, экологиялық мәселелерді шешу, энергия қауіпсіздігін қамтамасыз ету және экономикалық тиімділікті арттыру мақсатында жүзеге асырылуда. Сонымен қатар, күн панельдерінің бағасының төмендеуі мен тиімділігінің артуы бұл технологияның қолжетімділігін кеңейтіп отыр.

Күн энергиясын пайдаланудың басты артықшылықтарының бірі – оның экологиялық тазалығы. Күн панельдері жұмыс істеу барысында зиянды газдар шығармайды және табиғатқа кері әсерін тигізбейді. Сонымен қатар, бұл энергия көзі сарқылмайтын болып табылады, яғни ұзақ мерзімді перспективада тұрақты энергиямен қамтамасыз етуге мүмкіндік береді. Дегенмен, күн энергиясының кейбір кемшіліктері де бар. Мысалы, оның ауа райына және тәулік уақытына тәуелділігі, сондай-ақ энергияны сақтау мәселесі әлі де өзекті болып отыр.

Осыған байланысты қазіргі таңда энергия сақтау технологияларын дамытуға ерекше көңіл бөлінуде. Аккумуляторлық жүйелер, сутегі энергетикасы және гибридті жүйелер күн энергиясын тиімді пайдалануға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, жаңа материалдарды қолдану арқылы күн панельдерінің тиімділігін арттыру бағытында көптеген ғылыми зерттеулер жүргізілуде. Мысалы, перовскит негізіндегі күн элементтері дәстүрлі кремний панельдеріне қарағанда жоғары тиімділік көрсетуі мүмкін.

Күн энергиясының тағы бір маңызды ерекшелігі – оны әртүрлі масштабта қолдануға болатындығы. Ол ірі күн электр станцияларынан бастап, жеке тұрғын үйлердегі шағын панельдерге дейін кеңінен қолданылады. Әсіресе, электр желісі жетпейтін шалғай аймақтарда күн энергиясы тиімді әрі қолжетімді шешім болып табылады. Бұл ауылдық жерлердің әлеуметтік-экономикалық дамуына да оң әсерін тигізеді.

Күн энергиясы – қазіргі заманғы энергетиканың ең маңызды және перспективалы бағыттарының бірі. Ол экологиялық таза, экономикалық тұрғыдан тиімді және сарқылмайтын энергия көзі ретінде адамзаттың тұрақты дамуын қамтамасыз етуде маңызды рөл атқарады. Сондықтан күн энергиясын зерттеу, дамыту және кеңінен енгізу бүгінгі күннің басты міндеттерінің бірі болып табылады.

Сонымен қатар, күн энергиясын тиімді пайдалану тек технологиялық даму ғана емес, сонымен бірге әлеуметтік және экономикалық факторлармен де тығыз байланысты. Көптеген елдерде күн энергетикасын дамыту арқылы жаңа жұмыс орындары ашылып, экономиканың жаңа секторлары қалыптасуда. Бұл өз кезегінде елдердің энергетикалық тәуелсіздігін арттырып, импортқа тәуелділікті азайтуға мүмкіндік береді. Әсіресе, энергия ресурстары шектеулі мемлекеттер үшін күн энергиясы стратегиялық маңызға ие.Күн энергетикасының дамуы урбанизация процесімен де тығыз байланысты. Қазіргі заманғы қалаларда энергияны үнемдеу және экологиялық тұрақтылық мәселелері бірінші орынға қойылуда. Осыған байланысты «ақылды қалалар» тұжырымдамасы аясында күн энергиясын пайдалану кеңінен енгізілуде. Ғимараттардың шатырларына орнатылған күн панельдері ғана емес, сонымен қатар ғимараттардың қабырғалары мен терезелеріне интеграцияланған жаңа буындағы фотоэлектрлік жүйелер де қолданылып жатыр. Бұл технологиялар қалалық инфрақұрылымды энергия өндіруші жүйеге айналдыруға мүмкіндік береді.

Тағы бір маңызды аспект – күн энергиясын ауыл шаруашылығында пайдалану. Күн энергиясы арқылы суару жүйелерін, жылыжайларды және ауыл шаруашылық техникаларын энергиямен қамтамасыз етуге болады. Бұл әсіресе шалғай ауылдық аймақтарда өте тиімді, себебі ол дәстүрлі энергия көздеріне тәуелділікті азайтады. Сонымен қатар, күн энергиясын пайдалану ауыл шаруашылығында өнімділікті арттырып, шығындарды азайтуға ықпал етеді.

Қазіргі таңда ғылыми зерттеулер күн энергиясын пайдаланудың жаңа бағыттарын ашуда. Мысалы, ғарыштық күн энергетикасы идеясы қарастырылуда, яғни күн энергиясын ғарышта жинап, оны Жерге тасымалдау мүмкіндігі зерттелуде. Бұл технология әлі толық іске аспағанымен, болашақта энергия тапшылығы мәселесін түбегейлі шешуге мүмкіндік беруі мүмкін. Сонымен қатар, жасанды интеллект пен цифрлық технологияларды пайдалану арқылы күн энергетика жүйелерін басқару және олардың тиімділігін арттыру бағытында да жұмыстар жүргізілуде.

Осылайша, күн энергиясы тек баламалы энергия көзі ғана емес, сонымен қатар ғылыми-техникалық прогрестің маңызды бағыты болып табылады. Оның дамуы энергетика саласында түбегейлі өзгерістерге алып келіп, адамзаттың қоршаған ортамен үйлесімді өмір сүруіне жол ашады. Сондықтан күн энергиясын зерттеу және оны кеңінен қолдану қазіргі заманғы ғылым мен техниканың басты басымдықтарының бірі болып қала береді.

Күн энергиясының сипаттамасы:

Кезінде фотоэлементтер спутниктердің негізгі энергия көзі ретінде тек ғарышта ғана қолданылған. Содан бері күн батареялары біздің өмірімізге жиі еніп келеді. Онымен үйлер мен автокөліктердің шатырларын жабады және қол сағаттар мен тіпті қараңғы көзілдірікке де қолданады.

Бірақ, күн батареяларының қалай жұмыс істейтінін көбісі біле бермейді. Күн панельдері жалпы жиектемеге оралған фотоэлектрлі ұяшықтан тұрады. Олардың әрқайсысы күн батареяларында жиі қолданылатын кремний сияқты жартылай өткізгіш материалдан жасалған.

Күн сәулесі жартылай өткізгішке түскен кезде ол ішінара оның энергиясын сіңіру арқылы қызады. Осылайша, энергия ағымы жартылай өткізгіштегі электрондарды босатады. Сөйтіп, электр өрісі бос электрондарды жіберетін фотоэлементке қосылып, оларды белгілі бір бағытта қозғалуға мәжбүр етеді.Дәл осы электрон ағындары электр тоғын қалыптастырады.Егер металл контактілерді фотоэлементтің жоғарғы және төменгі жағына бекітетін болсаңыз, алынған тоқты сымдар арқылы жіберіп, әртүрлі құрылғыларды басқару үшін пайдалануға болады. Ал тоқтың күші ұяшықтың кернеуімен бірге фотоэлемент өндіретін электр қуатының күшін анықтайды.

Кремнийлі жартылай өткізгіштер

Электрондарды босату процесін кремнийді мысалға алып қарастырайық. Кремний атомының үш қабықшасында 14 электрон бар. Алғашқы екі қабықша толығымен екі және сегіз электронмен толтырылған. Ал үшінші қабықшаның жартысы бос, онда тек 4 электрон болады.Осының арқасында кремний кристалдық формаға ие. Өйткені, кремний атомдары үшінші қабықшадағы бос орындарды толтыруға тырыса отырып, электрондарды көршілерімен «бөлісуге» тырысады. Дегенмен, кремний кристалы таза түрінде болса электрондарды нашар өткізеді. Себебі, оның барлық дерлік электрондары кристалды торда қозғалмай отырады.Сондықтан күн батареяларында таза кремнийді пайдаланбайды. Оның орнына азғантай қоспалары бар кристалдарды, яғни басқа заттардың атомдары енгізілген кремний қолданылады. Кремнийдің миллион атомында бір атом бар, мысалы, фосфор атомы.Фосфордың сыртқы қабығында бес электрон болады. Олардың төртеуі жақын тұрған кремний атомдарымен кристалдық байланыс қалыптастырады, бірақ бесінші электрон көрші атомдармен байланыссыз, кеңістікте қалады.Ал кремнийге күн сәулесі түскенде, оның электрондары оларды тиісті атомдардан үзіп алуға жететіндей қосымша энергия алады. Нәтижесінде, олардың орнында «тесіктер» қалады. Сөйтіп, босатылған электрондар электр тоғын тасымалдаушылар ретінде кристалды тормен жүреді. Осылайша, кезекті «тесікті» кездестірген сайын оны толтырып отырады.Алайда, таза кремнийде мұндай еркін электрондар кристалдық тордағы атомдардың күшті байланысы себебінен өте аз. Ал фосформен араласқан кремний бұл бөлек мәселе. Мұнда фосфор атомдарындағы байланыспаған электрондарды босату үшін энергияны әлдеқайда аз мөлшерде қолдану керек.Осы электрондардың басым бөлігі электр энергиясын өндіру үшін оны тиімді түрде жіберіп және пайдалануға болатын еркін тасымалдаушыларға айналады. Сонымен қатар, заттың химиялық және физикалық қасиеттерін жақсарту үшін жасалған қоспаларды қосу процесі қоспалау деп аталады.Фосфор атомдарымен қосылған кремний n типтегі (негатив) электронды жартылай өткізгіш болып табылады. Сонымен қатар кремний сыртқы қабығында тек үш электроны бар бормен қосылады. Нәтижесінде еркін оң зарядталған «тесіктер» пайда болатын p-типті (позитивв) жартылай өткізгіш шығады.

Күн батареясының құрылғысы

N типті жартылай өткізгішті p-типті жартылай өткізгішпен жалғасаңыз не болады? Алғашқысында көптеген еркін электрондар қалыптасса, екіншісінде – көп тесіктер пайда болды. Электрондар тесіктерді мүмкіндігінше тез толтыруға тырысады, бірақ егер бұл орын алса, екі жартылай өткізгіш те электрлі түрде бейтарап болады.Оның орнына, еркін электрондар p-типті жартылай өткізгішке енген кезде, осы екі заттың қосылысқан аймағы қызып, өтуге қиын болатын кедергі қалыптастырады. Осылайша, p – n жартылай өткіштерінің өтетін шекарасында электр өрісі пайда болады.Күн сәулесінің әрбір фотонының энергиясы әдетте бір электронды босатуға жеткілікті. Яғни, ол тағы тір қосымша тесіктің қалыптасуына да жетеді. Егер бұл pn жартылай өтгізгіштері түйіскен жерде орын алса, онда электр өрісі n-жағына еркін электронды, ал p-жағына тесік жібереді.Осылайша, тепе-теңдік одан әрі бұзылады, ал егер сыртқы электр өрісі жүйесіне қолданса, еркін электрондар тесіктерді толтыру үшін электр тоғын қалыптастырып, p жартылай өткізгіш жаққа шығып кетеді.Өкінішке орай, кремний жарыққа өте жақсы тойтарыс береді, демек бұл фотонның маңызды бөлігі босқа кетеді деген сөз. Сондықтан, шығынды азайту үшін фотоэлементтер антибликативті жабынмен жабылады. Бірақ, соңында күн батареясын жаңбыр мен желден қорғау үшін, оны әйнекпен жабу керек.Бірақ, заманауи күн батареяларынан келетін пайдалы әсер коэффициенті жоғары емес. Олардың көпшілігі өзіне түскен күн сәулесін 12-ден 18 пайызға дейін тиімді өңдейді. Ал үздік үлгілер 40 пайызды пайдалы әсер коэффициентіне өтті.

Фотоэлектрлік әсердің физикалық негіздемесі.Күн энергиясын электр энергиясына тікелей түрлендіру процесі жартылай өткізгіштердегі ішкі фотоэффект құбылысына негізделген. Бұл құбылыстың физикалық табиғатын Эйнштейннің фотоэффект теңдеуімен сипаттауға болады:

Мұндағы— түсетін жарық квантының энергиясы,— электронның материалдан шығу жұмысы, ал— ұшып шыққан электронның кинетикалық энергиясы. Осы процесс нәтижесінде p-n ауысуында потенциалдар айырымы пайда болып, тізбекте электр тогы туындайд

Технологиялық ерекшеліктер мен ПӘК (Тиімділік)

• Монокристалды кремний панельдері: Қазіргі таңда 18-22% аралығында ең жоғары ПӘК көрсеткішіне ие және ұзақ мерзімді пайдалануға (25 жылдан астам) төзімді.

• Поликристалды панельдер: Өндірістік құны төмен болғанымен, тиімділігі 15-17% шамасында болады.

• Инверторлық жүйелер: Күн панельдері өндіретін тұрақты токты (DC) жалпы желіге қажетті айнымалы токқа (AC) айналдыру үшін заманауи инверторлар қолданылады.

Экономикалық және жүйелік талдау.Күн энергетикасының тиімділігін бағалауда LCOE (Levelized Cost of Energy) — энергияның теңестірілген құны негізгі көрсеткіш болып табылады. Соңғы онжылдықта күн технологияларының арзандауы бұл энергия түрін дәстүрлі қазба отындарымен бәсекеге қабілетті етті. Дегенмен, күн энергиясының тұрақсыздығы (түнде немесе бұлтты күндері) энергияны сақтау үшін қымбат тұратын литий-ионды немесе гибридті аккумуляторлық жүйелерді енгізуді талап етеді.

Көміртек ізі және кәдеге жарату (Экология).Күн панельдері жұмыс істеу барысында атмосфераға СО2 бөлмейтініне қарамастан, олардың қызмет ету мерзімі аяқталғаннан кейін кәдеге жарату (recycling) мәселесі туындайды. Қазіргі таңда панель құрамындағы шыныны, алюминийді және жартылай өткізгіш материалдарды 90%-ға дейін қайта өңдеуге мүмкіндік беретін технологиялар дамып келеді, бұл "жасыл экономика" принциптеріне толық сәйкес келеді.

Мақаланы қорытындылай келе, мынадай негізгі тұжырымдарды атап өтуге болады:

Экологиялық тұрақтылық. Күн панельдері жұмыс істеу барысында зиянды газдар шығармайды, бұл жаһандық жылыну мәселесін шешуге және адамзаттың табиғатпен үйлесімді өмір сүруіне жол ашады.Технологиялық даму. Бүгінгі таңда фотоэлектрлік жүйелердің тиімділігі артып, бағасы төмендеп келеді. Сонымен қатар, перовскит сияқты жаңа материалдарды пайдалану және энергия сақтаудың аккумуляторлық жүйелерін жетілдіру күн энергиясының ауа райына тәуелділігі сияқты кемшіліктерді жоюға мүмкіндік береді.Әлеуметтік-экономикалық маңыз. Күн энергетикасын дамыту елдердің энергетикалық тәуелсіздігін арттырып, жаңа жұмыс орындарын ашады. Бұл технология ірі станциялардан бастап, шалғай аймақтар мен «ақылды қалалардың» инфрақұрылымына дейін кең ауқымда қолданыла алады.

Түйіндей айтқанда, күн энергиясын зерттеу және оны өндіріске кеңінен енгізу — болашақ ұрпақтың энергия қауіпсіздігін қамтамасыз етудің басты кепілі. Ғарыштық энергетика мен жасанды интеллектті қолдану сияқты жаңа ғылыми бағыттар бұл саланың әлеуетін бұдан да жоғары деңгейге көтеретіні сөзсіз.

Пайдаланылған әдебиеттер тізімі:

1. Елеманов Б.Д. Жаңартылатын энергия көздері: Оқу құралы. — Алматы: Эверо, 2018. (Күн панельдерінің жұмыс істеу принциптері мен Қазақстандағы әлеуеті туралы).

2.Сәрсенбаев Б.Қ. Баламалы энергетика негіздері. — Астана: Фолиант, 2020. (Фотоэлектрлік түрлендіргіштер мен күн станцияларының құрылымы сипатталған).

3.Green, M. A. Solar Cells: Operating Principles, Technology, and System Applications. — University of New South Wales, 2022. (Фотоэлектрлік элементтердің физикалық негіздері туралы іргелі еңбек).

4. https://stan.kz/k%D2%AFn-batareyalary-kalay-zhumys-isteydi/