1. Күн энергиясы

Күн – қуатты генератор. Табиғи энергетикалық ресурстардың ішінде жер бетінде мол таралған энергия көзі Күн сәулесінің энергиясы болып саналады. Біздің планетамыздың Күннен бір тәулік ішінде алатын энергия мөлшері 63,8*10¹⁶ миллиард кВт /сағатқа тең. Бұл ұшан-теңіз энергия. Осыншама энергияның 47%-ы ғана планетамызды қоршаған ауа қабатына сіңіп, қалғаны шағылысып, кері космос кеңістігіне тарап кетеді. Планетамызға жететін Күн энергиясының едәуір бөлігі жердің бетін жылытуға, теңіз және мұхит суларын буландыруға, өсімдіктер дүниесіне қажетті фотосинтез процесіне, су және ауа ағыстары сияқты әр түрлі құбылыстарды тудыруға жұмсалады. Күн энергиясының жалпы мөлшерін бүкіл жер бетінің ауданына бөлсе оның әрбір шаршы метріне орта есеппен 160 ватт қуатынан келер еді. Әрине, жер бетіне Күн энергиясы бірдей таралмайтыны белгілі, оның мөлшері экваторлық ендіктерде көбірек те, полюстерге қарай азаяды. Соған қарамастан Жер шарының кез-келген елді-мекеніндегі әрбір үйінің шатырына түсетін энергия мөлшері сол үйді жылытуға пайдаланатын энергиядан анағұрлым артық екенін біле бермейміз [2].

Жыл сайын Жер Күннен шамамен 1,6*10¹⁸ кВт/с энергия алады, бұл энергияны тұтынудың қазіргі деңгейіне қарағанда 10 мың есе көп. Және күннің Жердегі энергетикалық балансында энергияның басқа барлық көздерінің қосынды үлесінен 5 мың есеге артады, басқаша айтсақ жер үшін күн энергиясының әлеуеті жылына шартты отынның 123*10¹² т құрайды. Сонымен қатар Жерде пайдаланатын энергияның барлық түрі жылу энергиясына трансформацияланады, бұл энергия өндірісінде түсетін күн радиациясының 5%-на тең келетін қайтымсыз өзгерістерге әкеп соғуы мүмкін [3].

Жер бір күнде Күннен әлемдегі барлық элетр станцияларында өндірілетін электр энергисынан мың есе көп энергия алады. Күн энергиясы қоршаған ортаға жоғарғы дәрежеде жағымды әсер қалыптастырады.

Жер бетіне жақын Күннің сәулеленуі кезінде шоғыр (спектр) пайда болады және ол спектр қара дененің спектріне ұқсас келеді. Спектрдің температурасы – 6 000 К, шартты диапазоны – 0,5⁰ болып келеді. Атмосфера сыртындағы күннің сәулелену қарқындылығы Жердің жылдық қозғалысы нәтижесінде кішкене өзгеріс жасайды. Күннің орташа тұрақты өнімділігі I₀ = 1360 Вт / м² - ты құрайды [4].

Күннің сәулеленуі Жер бетіндегі күн сәулесі түсіп тұрған нүктенің қай ендікте орналасқандығына, сол жердің теңіз деңгейінен биіктігіне, жыл мезгілі мен тәулікке, бұлттылыққа тәуелді болады. Күннің сәулелену қарқындылығы 1000 Вт/м²-тан асуы мүмкін. Күн сәулесінің жер бетіне түсуін мемлекеттік метеорологиялық орталықтар актинометриялық станцияларының желілері арқылы тіркеп отырады. Өлшеу жұмыстары стандартты термоэлектрлі құралдар арқылы жүзеге асады. Мысалы, күннің тіке сәулелену қарқындылығы – АТ-50 актинометрі арқылы; жиынтық сәулелену қарқындылығы – М-80 баллометрлік үлгідегі пиранометрі арқылы жүзеге асады. Егер қарастырылып отырған аумақта актинометриялық станциялар мүлде болмаған жағдайда күннің сәулеленуін өлшеу үшін жанама тәсіл қолданылады. Яғни, көршілес жатқан аумақтарда орналасқан станциялардағы күннің сәулеленуі өлшенген статистикалық мағлұматтарды қолданады [1].

Әрине, Күн энергиясын адамдар өз өмірінде қашан да болса пайдалануда. Бірақ ол энергия табиғаттың заңымен өзгерген бір түрден екінші түрге айналып, адам тіршілігінің арқауы болған энергия түрі болып табылады. Жер бетінде жайқала өскен өсімдіктер дүниесі, теңіз бен мұхиттың тулаған толқындары, атмосфераның жауын-шашыны, планетамыздың барлық тіршілік түрлері, жер қойнауының көмірі, мұнайы мен газы және тағы басқасы қуатты Күн энергиясының жемісі.

Жер бетіне түскен Күн энергиясы із-түзсіз жоғалып кетпейді. Оның өзгерген түрі біздің күнделікті ішетін тамағымыз, киетін киіміміз, жағатын отынымыз, зауыттар мен фабрикаларда, қала мен ауылдарда пайдаланылатын энергиялар. Яғни, планетамызда Күн энергиясының құдіретті әсерінсіз бірде-бір тіршілік түрі қалыптасып, дами алмас еді. Солай бола тұрса да адамдар Күн энергиясын пайдалануды әлі толықтай меңгере қойған жоқ. Оның басты себебі Күн энергиясының мөлшері орасан мол болғанымен, ол жер бетіне шашыранды түрде жетеді, оларды «жинап» өндіріс салаларын арзан, ең тиімді энергия көзімен жабдықтау мәселесі әзірше қай елде болса да өндірістік көлемде өз шешімін таппай отыр [5].

Шынында да Күн энергиясы сарқылмайтын ең арзан да қуатты табиғи энергия көзі болып табылады. Бірақ осы энергияның жер бетінде таралу мөлшері бірдей емес. Жер бетінің Күн энергиясы экваторға жақын жерлерге мол таралған. ТМД-да Күн сәулесі Закавказье, Орта Азия Республикаларына, Қырымға, Қазақстанның оңтүстік облыстарына едәуір мол түседі. Ғалымдардың есептеулеріне қарағанда, бұл аудандардың әрбір шаршы метріне түсетін энергия мөлшері өзінің калориялық қуаты жағынан ауданы 1 шаршы метр, қалыңдығы жарты метр қоңыр көмір энергиясының қуатына тең. Бұл, әрине өте үлкен көрсеткіш. Экваторға жақын орналасқан Нигерияда Күннің ыстықтығы сондай, тіпті көлеңкенің өзінде ауаның температурасы 40-45⁰С-қа жететін көрінеді. Осындай Күн энергиясы мол түсетін жерлер Қазақстан территориясында да бар, олар Маңғышлақ, Қызылорда, Шымкент, Жамбыл, Алматы облыстары, Үстірт, Орталық Қазақстан және тағы басқа жерлер. Ғылыми деректерге қарағанда, осы аудандарда 1 жыл ішінде 150-210 күн ашық, орташа есеппен 37⁰С жылы болып тұрады екен. Әрине, жалпы Күннен таралған энергия жер бетіне түгелдей жетпейтінін жоғарыда айттық. Біздің планетамызға Күн бөлетін энергияның небары 2 миллиардтан бір бөлігі ғана жетеді. Тіпті осы энергияның өзі-ақ Каспий, Азов теңізі сияқты су айдындарын 1-2 минуттың ішінде буландырып, құрғатып жіберуге молынан жетеді. Жыл сайын ғаламшарымыздың бойына сіңетін Күн энергиясының мөлшері 1,3*10¹⁴ тонна шартты отын қуатымен бірдей [6].

Жер шары халқының энергияны пайдалануы жыл сайын артуда, оның мөлшері қазіргі даму қарқынымен есептегенде әрбір 10-12 жылда 2 есе өсіп отырады екен. Болашақта да энергия түрлерін пайдалану қарқыны сөзсіз артады. Сонда ғаламшарымыздың тұрғындары өздеріне қажетті энергияны қандай жолмен қамтамасыз етеді деген сұрақ туындайды.

Әрине, қазірдің өзінде халық шаруашылығы салаларын дамытуға энергияның жаңа түрлерін, әсіресе атом, термоядролық, жер асты ыстық сулары энергиясын пайдалану көптеген елдерде қолға алына бастады. Бірақ олардан өндірілетін энергия мөлшері өте аз және тым қымбатқа түседі. Сонымен бірге атом энергиясына қажетті уранның жалпы қоры ғаламшарымыздың байырғы отын түрлері сияқты бір кезде таусылуы мүмкін ғой. Міне, сондықтан да көптеген оқымыстылардың батыл пікірлеріне қарағанда, болашақтың ең тұрақты, әрі арзан, сарқылмайтын энергия көзі – Күн сәулесінің энергиясы болмақ.

Күн энергиясын пайдалануды халықтар ертеден-ақ ойлаған. Ол туралы Египет, Грек, Рим аңыз-әңгімелерінде, ескі жазбаларында баяндалған. Осыдан 2500 жыл бұрын Грек оқымыстысы Ксенофонт: «...егер үйлердің оңтүстікке қараған қабырғаларын биіктеу жасаса, онда қыс айларында ол үй біршама жылы болады» деп айтқан екен.

Күн сәулесін пайдаланудың алғашқы әдістерін римдіктер жасаған көрінеді, олар Күн сәулесін жинайтын шынылардың көмегімен от тұтатқан. Архимед өзінің «Жандырғыш шынылар» деген еңбегінде Күн сәулелерін жинау әдістерін сөз еткен. Мысалы, тарихта Архимед жасаған Күн сәулелерін шоғырландыратын шыныларды пайдаланып гректер Сиракузадағы Римнің әскери флотын өртеп жіберген деген аңыз да бар [7].

Орта Азия оқымыстылары да шыны линзаның көмегімен Күн сәулелерін жинауды, яғни бір нүктеге шоғырландыруды білген. Беруни және Ибн-сина шыны линза мен айналардың Күн сәулелерін жинайтын қасиеттерін біліп, оны пайдалануды ұсынған. Ибн-сина өзінің «Даныш-Наме» деген кітабында: «...шыны линзасы бойында Күн сәулесін бір жерге шоғырландыратын нүкте бар. Осы нүкте арқылы өтетін сәуле басқа бір денелерге бағытталса, оны қатты қыздырып, ол жанатын зат болса, жандырып та жібереді» деп жазған.

М. В. Ломоносов 1741 жылы Петербург Ғылым академиясына шыны линза немесе айна түрлерін пайдаланып, «жандырғыш құралдар» жасау туралы ұсыныс енгізген болатын. Ал 1878 жылы Парижде болған Дүниежүзілік көрмеде француз инженері Мишо өзінің Күн сәулесін пайдаланып, жұмыс істейтін алғашқы бу машинасының үлгісін көрсеткен еді. Осыдан кейінгі жылдары да Күн энергиясын игеру бағытында көптеген жұмыстар жүргізілді, болашағынан үлкен үміт күттіретін бірнеше жаңа машиналардың үлгілері де жасалды.

Көптеген ғалымдар мен инженерлер бұл күндері Күн энергиясын тиімді пайдалану жолдарын жан-жақты зерттеуде. Алайда Күн сәулесін тұтыну, оны халық шаруашылығының көптеген салаларында пайдаланып, оларды арзан энергиямен қамтамасыз ету мәселесі өзінің техникалық жағынан күрделілігімен қатар едәуір мөлшерде материалдар мен қаржы жұмсауды талап етеді. Сондықтан да Күн энергиясын тиімді пайдаланатын алғашқы гелиотехникалық қондырғы түрлері әрі тиімді, әрі көлемі жағынан шағын болуы керек. Осындай талаптарды ескеріп, Күн энергиясын тиімді пайдалану мәселесін шешуді көптеген елдерде қазіргі уақытта жаппай қолға ала бастады. Ғалымдар негізінен ең арзан, ең қолайлы қондырғыларды жасау, олардың экономикалық тиімділіктерін арттыру мақсатымен гелиотехниканың көптеген үлгілерін, Күн сәулесін жинаудың сан алуан әдістерін ұсынуда.

Бүгінгі таңда ғалымдар Күн энергиясын негізінен 2 бағытта пайдалануды тиімді деп санайды. Бірінші басты бағыт – табиғи энергияның сарқылмас көзін игеріп, электр энергиясын өндіру, ол үшін аса тиімді Күн электр станцияларын көптеп салу. Екінші бағыт – негізінен елді-мекендерді, үйлерді жылыту, ыстық сулармен қамтамасыз ету және теңіз суларын тұщытып, ауыз су мәселелерін шешу болып табылады.

Қазір дүние жүзінің көптеген елдерінде Күн энергиясын пайдаланудың соңғы жолы тиімді саналып отыр, өйткені жекелеген үйлерді жылытуға немесе коммуналдық шаруашылыққа пайдаланылатын ыстық сулар негізінен төмен температуралы болады, демек оларға Күн энергисы да аз жұмсалады. Ғалымдар техникалық қондырғылардың қолайлы әрі тиімді түрлерін жасау бағытында едәуір табыстарға жетуде. Күн энергиясымен жұмыс істейтін қондырғылардың құрылыстары да күрделі болмайды, сонымен қатар оларды кез-келген жерге орнатып, жылу алуға болады [8].

Әрине, Күн энергиясымен үйлерді жылыту, ыстық сумен қамтамасыз ету барлық жерде бірдей іске аса бермейді. Мысалы, ТМД территориясының солтүстік бөлігінде немесе Қазақстанның солтүстік аймағында тұрмыстық қажет үшін Күн энергиясымен жұмыс істейтін бу қазандарын салу экономикалық жағынан тиімді емес. Өйткені ауа-райының құбылмалылығына, оның тәуліктік және маусымдық өзгерулеріне байланысты Күн көзінен тұрақты энергия алу қиын. Сондықтан да бұл жерлерде байырғы отын түрлерімен жұмыс істейтін қосалқы бу қазандарын салу қажет немесе екінші жолы осы аумақтарда жел қатты тұратын аудандарда жел энергиясын өндіретін Жел Электр Станцияларын салған тиімді болмақ.

Еліміздің жылы ендіктерінде Күн энергисымен жұмыс істейтін қондырғыларды әр түрлі шаруашылық салаларына пайдалануға болады. Қазірдің өзінде еліміздің оңтүстік аудандарында күн қондырғыларының көптеген үлгілері жасалынып, оларды шаруашылықтың кейбір салаларында пайдалану кең өріс алып отыр, ал бұл аймақта қондырғылардың тиімділігі де жоғары.

Қазір Күн энергиясы мен су жылытатын қондырғы түрлері көптеген елдерде кеңінен қолданылып жүр. Мысалы, АҚШ-тың тек Флорида штатында ғана 150 мыңға жуық гелиоқондырғыны тұрмыстың әр түрлі саласында пайдаланады, ал Италия, Германия, Францияда осындай қондырғылар тұрғын үйлерді, жылыжайларды, мал қораларын жылытуға кеңінен пайдаланылады.

Қазірдің өзінде көптеген елдерде, ал біздің еліміздің оңтүстік аудандарында Күн энергиясымен жылытылатын алғашқы үйлер, жекелеген коттедждер, балалар бақшасы салынып, жұмыс істеуде. Жалпы аумағы 105 шаршы метр осындай алғашқы тұрғын үй Францияның Шованси-ле-Шато деревнясында бой көтерген болатын. Осы гелиоүйдің авторлары – архитектор Жак Мишель және профессор Феликс Тромбо: «Күн энергиясымен үйлерді жылыту мәселесін шешу жалпы үй құрылысына үлкен өзгерістер енгізді. Жылу алудың бұл әдісі өзімізді қоршаған айналадағы ортаны ластаудан сақтауға мүмкіндік береді», дейді. Иә, Күн энергиясын тұрмыстық қажеттерге кеңінен пайдаланудың жалпы оның экономикалық тиімділігімен қатар айналадағы ортаны ластанудан сақтауда да маңызы зор. Бұл жағынан да Күн энергиясы шын мәнінде болашақтың энергиясы екенін айқындай түседі.

Аспан шырағының тегін энергиясын ұтымды пайдалану мәселесімен көптеген елдің ғалымдары айналысуда. Үндістанның бүкіл территориясы өте ыстық ендікте жатқаны белгілі, мұнда әрбір шаршы сантиметр жерге 400-600 калория мөлшерінде жылу түседі. Міне осындай энергияны игеру бағытында үнді ғалымдары да жемісті еңбек етуде.

Қазір Үндістанда бірнеше «Күн фермалары» жұмыс істейді. Мысалы, Нью-Делиден небары 10 километр жерде орналасқан осындай «ферма» бір кезде күн күйдіріп, тусырап жатқан өңірді жасыл желекке бөлеп жіберді. Бұл жерде істелетін барлық жұмыс Күн энергиясымен атқарылады. Электр энергиясын өндіру, егістікке су жіберу, үйлерді ыстық сумен жабдықтау, салқындатқыштарды іске қосу сияқты жұмыстар автоматты жүйелермен басқарылады. Мұндай фермалар болашақ қалалар мен ауылдардың көркеюі мен энергияға деген тапшылығын жоюға септігін тигізеді [9].

Күн сәулесімен жылытылатын үйлер климат жағдайы құрғақ, әрі ыстық елдерде ғана емес, ондай үйлер соңғы жылдары солтүстік ендіктерде де салына бастады.

Ғалымдардың есептеулеріне қарағанда, тұрғын үйлерде Күн энергиясын пайдалану жылу жүйесіне жұмсалатын отынның 60%-ын үнемдеуге мүмкіндік береді екен. Әрине Күн энергиясымен жылытылатын үйлердің өзіндік құны әр түрлі қондырғылардың есебінен әдеттегі үйлермен салыстырғанда 15-20%-ға қымбат. Бірақ ол артық жұмсалған қаржы 2-3 жылдың ішінде толығымен өзін-өзі өтеп, одан кейінгі жылдары бұл үйлер тек кіріс қана келтіреді. Бұл әдіс 1 жылда жұмсалатын энергетикалық отын шығынын 3 есе азайтып, 5000 кВт/сағат электр энергиясын үнемдеуге мүмкіндік береді. Мысалы, Орта Азия республикаларының ауыл шаруашылығы дамыған елді-мекендерінде жұмсалып отырған отын түрлерін Күн энергиясымен алмастыру мүмкіндігі туса, онда бұдан түсетін 1 жылдық таза пайда 372 миллион теңгеге тең екен. Ал жалпы еліміздің оңтүстігіндегі күн сәулесі мол түсетін елді-мекендер Күн энергиясын жаппай пайдаланатын болса, жылдық үнем 3 миллиард теңгеге жетер еді.

Күн энергиясын тиімді пайдаланудың тағы бір жолы минералды ащы суды тұздандырып, ауыз су үшін пайдалану болып табылады. Табиғатта ащы су көздері өте көп, олар – мұхит, теңіз және көл сулары. Қазірдің өзінде елімізде, Қызылқұмда ащы суларды минералды тұздардан айырып, тұщы суларға айналдыратын гелиоқондырғылар жұмыс істеуде.

Үстіміздегі мыңжылдықта ғалымдар күн сәулесінен электр энергиясын алудың бірнеше әдісін ұсынуда. Соның бірі Күн сәулесін шоғырландырып, кремний батареясына бағыттау арқылы сәулені электр энергиясына айналдыру. Мұндай агрегаттың қуаты үлкен емес, небары 450 ватт қана, бірақ насостың жұмыс жасауына жеткілікті. Әрине, әзірше кремнийлі жартылай өткізгіштердің өзіндік құны қымбат, бұл жағынан ол тиімсіз.

Күн сәулесі энергиясын пайдаланудың практикалық маңызы орасан зор, оны игеру тек жердегі қажеттіліктен ғана туындап отырған жоқ, оның қуатты энергиясы адамдарға ғарыш кеңістігін зерттеу, планетааралық сапарлар үшін де қажет. Мысалы, қазіргі жер орбитасына шығарылған спутниктер, басқа да Күн жүйесін зерттеуге арнайы ұшырылған арнайы ракеталар толықтай Күн энергиясын пайдаланып, жұмыс істейді.

Күн энергиясын халық шаруашылығы салаларына пайдаланудың болашағы зор, әсіресе оны металлургия, ауыл шаруашылығы, энергетика салаларында пайдаланудың алғашқы эксперименттері де жасалуда. Күн энергиясын металл дәнекерлеуге де пайдалану ұсынылып жүр, әсіресе қоспасыз таза металдарды «күн пеші» өте тез әрі сапалы дәнекерлейтіні дәлелденіп отыр. Күн энергиясымен жұмыс істейтін пештер келешекте энергия көздері жоқ шалғай елді-мекен тұрғындарының тұрмысына, сондай-ақ ғарышты зерттеу техникасы құрамына берік енетін болады.

Дегенмен де Күннің мол энергиясын игерудің мәселесі әзірге, қай елде болса да толық шешімін таба қойған жоқ. Бұл күндері энергия тапшылығына ұшырап отырған көптеген елдер тегін энергия көзін игерудің тиімді жолдарын іздестіруде [2].

Күн энергиясымен жұмыс істейтін гелиостанциялардың ғалымдар ұсынған үлгілері өте көп. Ғылыми болжамдарға қарағанда, қазіргі игерілмей жатқан шөлейтті аудандарда бүгінгі ғылыми-техникалық прогресс жетістіктерін пайдаланып, 130 миллиард кВт энергия беретін біртұтас гелиостанциялар кешенін салуға болатын көрінеді. Әрине, мұндай ғаламдық ауқымда гелиостанциялар салу үшін көптеген күрделі эксперименттер жасалынып, ғылыми жұмыстар жүргізілуі қажет.

Негізінен Күн энергиясын толық пайдалану үстіміздегі ХХІ ғасырдың еншісіне тимек, сонымен қатар ғалымдар да оны игерудің бірнеше тиімді жолын көрсетіп берді. Солардың бірі француз ғалымы Фредерик Жолио-Кюри Күн энергиясын болашақта пайдалану табиғаттың өзі көрсеткен жолмен жүргені дұрыс деген еді, яғни ғалым бұл жерде Күн энергиясын өсімдіктердегі хлорофилл арқылы пайдалану туралы айтып отыр. Ол: «мен болашақтың атом энергисына сенемін, оның болашағы зор, дегенмен энергетикадағы ең басты өзгеріс хлорофилл сияқты энергияны синтездеу (ажырату) деңгейіне жеткенде ғана пайда болады» деген екен.

Белгілі ғалым, академик А. Ф. Иоффе Күн энергиясын жартылай өткізгіштерді кеңінен пайдаланып, электр энергиясына айналдыру тәсілін қуаттайды. Осы әдіспен Күн энергиясын игеретін гелиостанциялар кешені Қарақұм аумағының үштен біріне орналасқан болса, ғалымның есептеуінше, олардан алынатын энергия мөлшері қазіргі дүние жүзі елдерінің барлық электр станциялары бірлесіп өндіретін энергиядан 20 есе көп болады екен.

Күн энергиясын пайдаланудың болашақтағы басты бағыты – оның шашыранды сәулелерін шоғырландырып, одан арзан электр энергисын өндіру. Бұл мәселені шешудің өзіндік қиындықтары да бар. Өйткені Күн сәулесінің жер бетіне шашыранды түрде таралуына байланысты оның әрбір шаршы метр ауданға түсіретін энергиясының мөлшері 1 кВт-тан аспайды. Міне, осындай аз энергияны жинастыру үшін аумағы тым үлкен қабылдағыш-концентраторлар жасалуы керек. Қазіргі практика жүзінде қолданылып жүрген концентраторлардың кейбір түрлері тиімді емес, олардың негізінде жұмыс істейтін гелиостанциялардың қуаты да жоғары болмайды.

Қазірдің өзінде күн энергиясын транспортта пайдалану жұмыстары іске асырылды. Жер қойнауынан органикалық отын қорларының сарқылуына байланысты жанармай тапшылығы осы күндердің өзінде байқалуда. Сондықтан күн энергиясымен жүретін транспорт түрлері жоғарыда аталған мәселенің ең тиімді шешімі болып табылады [2].

Қазақстан аумағының көпшілік бөлігінің күн энергиясын пайдалану үшін жағымды климаттық жағдайлары бар. Оңтүстік аудандарда күн сәулесінің ұзақтығы жылына 2000-нан 3000 сағатты құрайды, ал күн энергиясының горизонталь қабатқа түсуі – 1 ш. метрге 1280-нен 1870 кВт/сағатқа дейін [4].

Күн шуағы мол шілдеде горизонталь қабаттың 1 ш. м келетін энергияның мөлшері орташа алғанда күніне 6,4-тен 7,5 кВт/сағатқа дейін құрайды. Яғни, күн энергиясын кеңінен пайдаланудың шаруашылық маңызы болуы мүмкін [8].

Қазақстанның географиялық жағдайынан қалай орналасқанына қарамастан, елдегі күн энергиясының ресурстары жағымды құрғақ климаттық жағдайлардың арқасында тұрақты да жайлы болып табылады. Күн сағаттарының саны жылына 2200-3000 сағатты құрайды, ал күн сәулесінің энергиясы 1 ш. м. жылына 1,300-1,800 кВт-ты құрайды, бұл ауылдық жерлерде күн батареяларының панелін, атап айтқанда фотоэлектр көздерінің ықшам жүйелерін жасауға мүмкіндік береді. Энергияның осындай деңгейінде суды күнмен жылытудың болашағы бар, әсіресе газ құбырларына қолы жетпей отырған қашық аудандар үшін.

Қазақстанның барлық аумағындағы энергия ағынының потенциалды ағыны 1 трлн. кВт/сағатты құрайды. Экология шарты бойынша энергия ағынын ықтималды пайдалану деңгейі 1 трлн. кВт/сағатты құрайды (түрлендірудің ПҚК 100% болғанда) [10].

Осыған байланысты, қазіргі кезде жылу алу үшін де, электр энергиясының өндірісі үшін де күн сәулесін пайдаланудың орнықты ағымы орын алып отыр. Түрлі елдерде қуаттылығы 1 кВт-қа дейінгі ондаған мың фотоэнергетикалық қондырғылар, электромобильдерге арналған күнмен қуаттандыру станциялары сәтті пайдаланылуда, қуаттылығы 100 кВт-қа дейінгі күн электростансалары жобалануда.

Гелио қондырғылар электрмен жабдықтау үшін шағын қашықтағы орталықтарды сәтті пайдалануда. Гелиоэнергетика мен гелиотехниканы дамыту бойынша ұлттық бағдарламалар 70-тен астам елдерде қабылданған.

Тежеу болатын негізгі фактор энергияның басқа көздерімен салыстырғанда күн генераторларының айтарлықтай басымдылығында, пайдалы әрекеттің төменгі коэффициенті (ПӘК) және фотоэлектрлік құралдар құнының қымбаттылығы (ФЭП) болып табылады.

Сонымен қатар, соңғы жарты ғасыр бойына фотоэлектрлік түрлендіргіш (ФЭТ) бағасының әрбір 5 жылда 50%-ға төмендегені байқалады, ал ПӘК 4-6%-дан 28,2%-ға дейін артқан. Сонымен, алғашқы ФЭТ құны 1 Вт үшін 1 мың доллардан асатын, ал қазіргі кезде құны 1 Вт үшін 5 доллардан төмен. 15% ПӘК болғандағы керамикалық тағандағы поликристалды кремнийден жасалған ФЭТ (АҚШ) өндірісінің конвейерлік технологиясы 1 Вт үшін 2 долларлық бағасын алуға мүмкіндік береді, аморфты кремнийден ФЭТ алу (Жапония, ПӘК 6-10%) олардың құнымен 1 Вт үшін 1 долларға дейін төмендетуге мүмкіндік береді [11].

Оптикалық элементтерді пайдаланатын түрлендіргіштердің (линзалар, сфералық айналар, Френел торлары) ПӘК - 20%-дан асады [3].

Күн энергиясын электрлікке түрлендіретін қазіргі құрылғыларының айта кетерлік үлкен кемістігі жылу шығаруды өңдеуге қабілетсіздігі болып табылады, бұл пайдалы әрекет коэффициентін төмендетеді, олардың жұмыс жағдайын нашарлатады, жұмысқа жарамдылық мерзімін азайтады және гелиоэнергетиканың дамуына кедергі келтіреді.

Жылу шығаруды фотоэлектрлік түрлендіргіштерден бұрып әкету үшін жылу сүзгілерін пайдаланады, бұл энергияны қосымша жоғалтуға және қымбаттауына әкеп соғады, сондай-ақ габариті мен салмағын да арттырады. Алайда алынған ПӘК және ФЭТ құны бүгіндері күн мобильдерін, күн сәулесімен жұмыс істейтін яхталарды және ұшақтарды құрастыруға мүмкіндік берді.

Күн радиациясын электр энергиясына түрлендіру, жоғарыда айтылғандай, шоғырландырғыштың (концентраторлардың) жеткіліксіздігіне, сондай-ақ толқындардың ұзындығы бойымен сәуле шығаруды дифференциялауға, яғни дисперсиялауға қабілетсіздігіне байланысты айтарлықтай шығындардың орын алуымен байланысты. Себебі бұл жарықтың белгілі-бір толқын ұзындығында ғана тиімді жұмыс істей алатын, күн сәулесін жартылай өткізгішті түрлендіргіштердің жұмысы үшін өте маңызды.

Күн энергиясын көп көлемде пайдаланудың өнеркәсіптік және азаматтық нысаналар үшін де, көлік үшін де (темір жол, автомобиль және су көлігі) электр энергиясымен жеке және топтық қамтамасыз етудегі маңызы өте үлкен.

Күн энергетикалық қондырғыларының келесідей артықшылықтары бар:

• электр энергиясының экологиялық таза өндірісі, жылулық газдар шығарылымының мүлдем жоқтығы;

• қолданудың әмбебаптылығы;

• конструкциясының қарапайымдылығы мен салмағының шағындығы;

• жұмыс кезінде шу шығармауы;

• қуаттылық жиынтығының модульді принципі;

• сенімділіктің жоғарылығы.

Күн энергиясын қолданудың ықтималдығы өте жоғары. Бұл отынның дәстүрлі түрлерін өндіру мен тасымалдауға жұмсалатын шығындардың артуына жол бермейді, энергияны алудың экологиялық таза тәсілін қамтамасыз етеді [8].

Күн (жылу) коллекторлары. Күн коллекторы – бұл күн энергиясын жылу энергиясына айналдыратын жүйелі құрылғы. Күн коллекторы күн сәулесін қабылдағыш панельдерден тұрады. Осы панельдер арқылы күн коллекторындағы қалған құрылғылар қозғалысқа еніп, күн энергиясын жылу энергиясына айналдырады. Күн панелі күн сәулесін қабылдаған уақытта жылу таратқыш сұйықтықтың қызуын қамтамасыз етеді. Сонымен қатар күн коллекторындағы құбыр, сорғы мен аккумуляторды іске қосады. Қазіргі уақытта күн коллекторларының көптеген түрлері бар. Коллекторлардың негізгі құрылымы жан-жағынан жылумен жарақтанған жазық қабылдағыш беттен тұрады. Сондықтан коллектордың қоршаған ортамен энергетикалық алмасуы тек жарықтандырылған беткі қабат арқылы жүзеге асады.

Күн энергиясын жылу энергиясына немесе электр энергиясына айналдыратын күн электр станцияларының, күн панельдері мен күн коллекторларының қазіргі уақытта қолданысқа өте баяу енгізілуінің ең бір басты себебі – құрылғылардың қымбат тұруы. Күн энергиясынан өндірілетін электр энергиясының тарифтік бағасының жоғары болуына қарамастан күн электр станцияларының экономикалық тиімділігі болашақта артатын болады. Өйткені күн энергиясы ешқашан сарқылмайды және басқа дәстүрлі жолмен алынатын энергия түрлерімен салыстырғанда экологияға зиянсыз.

Күн энергиясын фотоэлектрлік жолмен түрлендіру. Күн энергиясын электр энергиясына айналдыру кезіндегі қоданылатын ең ыңғайлы тәсіл – фотоэлектрлік тәсіл болып табылады. Бұл тәсіл тек сенімді ғана емес, сонымен қатар төзімді және экологиялық таза.

Күн энергиясын фотоэлектрлік түрлендіру кезінде физикалық негіз ретінде жартылай өткізгіштегі фотовольтты тәсіл қолданылады. Сонымен қатар күн энергиясын электр энергиясына айналдыратын басқа да тікелей тәсілдер бар және даму үстінде. Мысалы, термоэлектрлік, термофотоэлектрлік, фотоэлектрохимиялық және тағы басқа да қазіргі уақытта кең қолданыс таппаған тәсілдер [12].

Әлемдік энергетикалық жүйеде фотоэлементтердің негізінде энергияны электр энергиясына түрлендіруде үлкен серпіліс байқалады. 1999 жылы бүкіл әлемде фотоэлементтердің көмегімен өндірілген энергияның жылдық мөлшері 200 МВт қуатты құрады. Соңғы 5 жыл ішіндегі жылдық өсу қарқыны 30%-ды құрайды. Көшбасшы елдер: Жапония – 80 МВт, АҚШ – 60 МВт, Германия - 50 МВт, (Ресей – 0,5 МВт). Кейбір деректер бойынша күн коллекторларының әлемдегі жалпы аумағы 21 миллион м²-тан асады. Сонымен бірге күн коллекторларының жылдық өндірісі 1,7 миллион м²-тан асады. Көшбасшы елдер: Жапония – 7, АҚШ – 4, Израиль – 2,8, Грекия – 2,0 миллион м², (Ресей – 0,1 миллион м²).

Қазақстанның географиялық орналасуына қарамастан елдегі күн энергиясының қоры қолайлы құрғақ климат жағдайларының арқасында тұрақты және тиімді болып табылады. Күнді сағаттардың жылдық мөлшері 2200-3000 сағатты құрайды. Күн радиациясының жылдық көлемі 1300-1800 кВт·сағат/м²-ты құрайды. Жоғарыда көрсетілген күн сағаттары мен күн радиациясы шамасының арқасында ауылды жерлерде панельді күн батареялары мен фотоэлектрлі ықшамды жүйелерді құруға мүмкіндік береді. Энергияның мұндай деңгейінде газ құбыры тартылмаған шет аудандарда күнді су жылытқыштарды орналастырудың да болашағы бар.

Үкіметпен бағытталған күн энергиясын алғашқы қолдану энергия ағынының потенциалды деңгейі бүкіл Қазақстан аумағы бойынша 1 трлн кВт·сағатты құрады.

Фото өзгертулердің негізінде мүмкіндігі 2500 МВт жиынтық қуаттылықты құрайтын гелиоэлектрстанцияларында өндірілетін өнім шамасы жылына 2,5 млрд кВт сағатты құрайды. Қазіргі уақытта қуаттылығы 20Вт-ты құрайтын 40 000 фотоэлементтерден құралған кішігірім ықшамды батареяларды сатып алуға Қазақстан нарығының мүмкіншілігі жетеді.

Қазақстандағы гелиоэлектрстанцияларды орналастыруға ең ыңғайлы аумақтар: Арал маңы, Қызылорда және Оңтүстік Қазақстан облыстары [1].