Ғылыми жоба

Қарағанды қаласы №12 жалпы білім беретін

мектебінің физика пәні мұғалімі

Джексембаева Гулдана Сериковна Тақырыбы: «Жел энергетикасы»

1. Жел энергетикасының тарихына қысқаша шолу.

Баяғы заманнан бері жел энергиясы адамдарға қызмет етті. Ежелгі гректердің пікірі бойынша әйгілі прометей адамдарды отты жағуды ғана емес, сондай-ақ кемелерде желкендерді қолдануды үйретті. Желкенді кемелердің көмегімен барлық ұлы географиялық ашулар іске асты екені бәрімізге белгілі.

Желкенді қайықтар да ұмытылған жоқ. Пароходтардың Еуропаға шай апаратын «шай клиперлері» қолданыста жүрген. Ондай кемелердің ішінен ең әйгілісі «Катти Сарк» (қазіргі кезде және мәңгілікке ағылшынның Фалмаут портында тұр). Осындай «шай клиперлерінің» бірінде желкенді қайықта ең үлкен жылдамдық рекорды қойылған. «Попутный ветер» клипері Үндістаннан Еуропаға дейінгі жолын 39 км/сағ орташа жылдамдықпен өткен. Әлемнің көптеген порттарындағы мыңдаған адамдар «Товарищ» және «Крузенштерн» кемелерінің сұлулықтарына таңданған.

ХХ ғасырдың басында Н.Е.Жуковский самал желдің ескенінен-ақ энергияны ала алатын қондырғыларды құрастыру теориясын ұсынған.

1931 жылы Севастополь қаласында 100 кВт энергия шығаратын, дөңгелегінің диаметрі 30 м болатын желэлектрстанциясы құрастырылған. 1942 жылға дейін ол қалаға тұрақты электроэнергия апарған екен.

1941 – 1945 жылдары американец Вермонт штатында 200 пәтерді электроэнергиямен қамтамасыз ететін, ол кезде ең қуатты(1250 кВт) желэлектрстанциясы жұмыс істеген. Оның дөңгелектерінің бұлғауы 50метрден асатын. Бірақ бұл алыптың көптеген кемшіліктері болған. Мысалы, қондырғының қанаттары 300 сағат жұмыс істеген соң сынаты өте тиімсіз болған.

Күшті мен тұрақты желді табу үшін кейбір құрастырушылар қондырғыларды жерден өте биікке көтеруді ұсынған. Соғыстың алдында кеңес ойлап шығарушылар жел платинасының жобасын ұсынған. Олардың ойлары бойынша, биіктігі 350 метр және ені 500 метр болатын металл каркастың үстінде диаметрлері 20 метр 224 жел двигателдері орналасу керек еді. Бұндай қондырғы 100 мың кВт қуатты шығарар деген болжам жасалған. Ал одан да алғыр жоба бойынша 8 – 10 км биіктіктегі атмосфера энергиясын қолдану жоспарланған. Мұнда жылдамдығы 20 – 30 м/с-қа дейін жететін әрдайым жел ағындары бар екен. Жел двигательдері мен генераторлар, жобаның авторларының ниеттері бойынша, жерге тростармен бекітілген аэростат арқылы жел ағындарына жеткізілетін.кабельдер арқылы энергия көктен тікелей тұтынушыға жеткізілетін.

Бұл жобалардың барлығы да 20 жылдай бұрын тек құрастырушылардың арманында болатын. Ал қазіргі кезде барлық қондырғылардың жобалары іске асты. Бұл заманымыздың жаңа технологияларының арқасында. Ал менің жоғарыда айтылған құрастырушылардың ойлары: биікке орналастырылған жел қондырғылары жайында болмақ.

MARS жел қондырғысы

Қарастырып отырайын деген қондырғы менің жобамдағы қондырғыға өте ұқсайды. Сондықтан мен оны таңдап алдым.MARS қондырғысы (Magenn Air Rotor System – әуәдегі роторлы жүйе Magenn) – өзінің құрлысы бойынша кішкентай гелийлі дирижабльге ұқсайды. Корпустың жұмсақ болуы MARS-ты бүктеп, оны басқа жерлерге апарып, сол жерде үрлеуге мүмкіндік береді. Бұндай әрекеттер қарапайым жер бетінде орналасқан жел диірмендерден артықшылығы мол екендігіне дәлел.

5 кВт қуаты бар генератордың жақыннан көрінісі.

Бұндай генератордың көптеген жақсы жақтары бар: таза экологиялық энергияны шығарады, көп орын алмайды, және керемет пейзажды бұзбайды. Қоршаған ортаға деген күтімі де көзге түседі: үлкен құрлыс жұмыстарын жүргізудің керегі жоқ, тағы да қондырғының құстарға ешқандай зияны жоқ (статистика бойынша жел энергокондырғылардың әсерінен жыл сайын тек АҚШ-тың өзінде 10-нан 40 мыңға дейін құстар өледі.)

Арнайы арқандармен бекітілген MARS, пайдалану кезінде дирижабль секілді ондаған метр биіктікке көтеріледі. Ондай биіктіктегі желдің күші жердегі желден үлкен айырмашылығы бар екені айқын білінеді. Бұл жұмыстың қуатын 50%-дан асыруға мүмкіншілік береді(жердегі қондырғылардың қуаты 20-40%-бен салыстырғанда). Желдің бағыты да үлкен рөл атқармайды, себебі арнайы тұтқа (корпустың ортасындағы көлденең пластина) арқылы MARS-ты керек жаққа айналдыруға болады, сол арқылы қондырғы үздіксіз айналады. Корпус түгелдей айналады, ал бұл кезде энергия қозғалмайтын екі жағынан орналасқан генераторлар арқылы шығарылады. Айналу корпустың үстінде орналасқан қырлар арқылы іске асады. Бұл жерде Магнус эффектісі үлкен рөл атқарады.

Аппарат арнайы кабель арқылы көкке көтеріледі.Бірақ кемшіліктері де аз емес. Біріншіден, аспанда ұшып жүрген дирижабль кез келген адамға нысана бола алады(әсіресе Америкада, себебі ол жерде кез келген азамат оқтық иесі бола алады). Бірақ құрастырушылар бұл проблеманы шешу үшін кевлар тәріздес Даркон затын пайдалануға ұсыныс жасады. Екіншіден, MARS ұшақтардың ұшуына қауіп төндіреді, бірақ бұны да оңай шешуге болады. Қондырғыны ауаға көтерер алдында жергілікті авиациямен аймақты ұшақтардың ұшуларына жауып тастау туралы келісіп алуға болады.

2.Жел энергиясы

Бізді қоршаған орта үнемі қозғалыста және осы қозғалыстың энергиясы орасан зор. Жел энергиясы жерді барлық өзендердің энергиясынан 100 есе үлкен. Жер бетінде үнемі жел соғады: аздаған жеңіл лептен бастап, орасан зор зиян әкелетін дауылға дейін. Біздің елімізде соғып тұрған жел республикамызға қажет электр энергиясын өндіруге шамасы бар. Жел энергетикасын, әсіресе, осы Қарағанды облысында дамытуға әбден болады. Егер Қарағанды қаласын ең таза әрі әдемі қалаға айналдырғымыз келсе неліктен экологиялық таза энергия көзін қолданбасқа. Әр түрлі авторлардың айтуынша жердің жел энергиясы 1200 ГВт, бірақ жердің әр түрлі аймағында жел энергиясын пайдалану мүмкіндігі әр түрлі. Жел энергиясын мүмкіндігінше электр энергиясына айналдыру үшін жер бетінен 20 - 30 м биіктіктегі желдің ағының жылдамдығы үлкен болу керек. Мысалы: орташа жылдық қуаты 500 Вт/м² болатын жел қондырғысының осы қуаттың 75 пайызға ғана электр энергиясына айналады (және желдің жылдамдығы 7 м/с болу керек). Жел ағынындағы энергия, желдің жылдамдығының кубына тура пропорционал. Бірақ та идеал машинаның өзі жел энергиясын түгел пайдаға жарата алмайды.

Теория жүзінде жел энергиясын пайдалану коэффициенті (ПӘК) 59,3 % артық болмайды. Ал іс жүзінде бұл кофициент 50 %, бірақ бұл көрсеткіштің өзі, егер желдің жылдамдығы жобада көрсетілген оптимал жылдамдықта тең болса ғана. Осының бәрін ескергенде жыл бойындағы электр энергиясын алу жел энергиясының 15 – 30 % ғана құрайды.

Соған қарамастан адамдар ерте заманнан бері жел энергиясын іске жаратқан. Оған мысал ретінде жоғарыда айтылған желкенді кеме мен жел диірмендері бола алады.

Жел электр станциясы СССР-де 1923 жылы Курск маңайында салынды. 1930 жылы Қырымда қуаты 100 кВт ЖЭС салынды.

3. ЖЭС жұмыс істеу принципі

Жел дөңгелегі электр тогының генераторы динамомашинаны іске қосады, ал ол параллель қосылған аккумуляторды зарядтайды. Аккумуляторлық батарея генератордың клеммаларындағы кернеу аккумулятордың клеммаларындағы кернеуден үлкен болған автоматты түрде ажыратылады.

Екі жылдан бері Қазақстан БҰҰ бағдарламасына бірлескен жел қуатын пайдалану жобасын орындатуға кірісті. Қазақстандағы энергия көздері 8 млрд. кВт/сағ энергия шығарады. Жел қуатын пайдаланса жылына 1,8 трлн кВт/сағ өндіруге болады екен. Жобаның бірінші кезеңін іске асыруға ғаламдық экологиялық қор республикаға 2,5 млн. АҚШ долларын берді. Жекеленген инвесторлар бұған 4 млн. АҚШ долларын қосты. Өткен жылы бағдарламаның дайындық кезеңі аяқталды. Республиканың оңтүстік шығысында шамамен 5 МВт электр қуатын шығаратын тұңғыш жел диірмені орнату жоспарланды. Алматы облысында Жоңғар Алатауына салынатын бұл жел диірменіне үлкен үміт артылуда. Өйткені жылдың төрт мезгілінде күшті жел диірмен орнатылмақшы. Келешекте саны 100 диірменге жетпекші.

Оңтүстік Қазақстан облысында 2 жел электр қондырғысының монтажы жасалып аяқталды (2004 жыл, қазан айы). Монтажды Индия және Қазақстандық мамандар жүргізген (Кентау қаласының жанындағы Қотырбұлақ деген жерде). Әрбір қондырғының бағасы 150 000 доллар. Осы қондырғылар арқылы 6,1 км жерге Кентауға электр энергиясы жеткізіледі. Егер осы қондырғылардың жұмысы рентабельді болса, ондай қондырғылар басқа да жерлерге қойылмақшы.

Электр қуатын өндіретін жел диірмендер алыстағы елді мекендерді жарықпен, жылумен қамтамасыз етуге өте ыңғайлы. Дүние жүзі оңай әрі арзан қуат көздерін іздестірген заманда өз еліміздің ресурстарын ұтымды пайдаланған жөн. Тіпті жел диірменінің агрегаттарын өз елімізде жобалап құрастырып шығаруға да болады.

Осы айтылғандардың барлығы жер бетінде жұмыс істейтін қондырғыларға байланысты айтылған.

Ал мен ұсынып отырған жел қондырғысы бұрынғы жердің бетінде онша биік емес орнатылған жел қондырғысынан өзгеше қондырғы.

Мен бұл жобаны ұсынбастан бұрын жердің бетіне орналасқан жел диірменін зерттедім. Олар көп зерттелген және жасалынған, сонда да кең қолданыла қоймаған. Себебі олардың көптеген кемшіліктері бар.

4. Жер бетіндегі жел энергоқұрылғылардың кемшіліктері:

1. Жел үнемі соқпайды. Сондықтан, генератор бірқалыпсыз жұмыс істейді. Токтың жиілігі де өзгеріп отырады. Токты бірқалыпты өзгерту үшін аккумулятор қолданылады, бірақ бұл қымбатқа түседі және эффектілігі өте аз. Кей кезде желдің жылдамдығы қажет жылдамдықтан аз, кейде көп болып кетеді.

2. Жел агрегаттарының қуаты ең үлкені 4 МВт, ал үнемі қолданылатынының қуаты 200-250 кВт. Осындай аз қуаттың өзінде оның алып жататын орны үлкен болады.

3. Қуаты 4 МВт атом электр станциясын алмастыру үшін 4мыңға жуық «Гровиан» агрегаты қажет екен. Желдің өзі тегін болса да, беретін электр энергиясының құны қымбат болып шығады.

4. ЖЭС алып жататын орны өте үлкен, бірнеше мың га. Жұмыс кезінде үлкен шу және жиілігі 16 Гц инфрадыбыс шығарады. Ол адам организміне, сонымен қатар аңдар мен құстарға үлкен әсер етеді. Сол жердің экологиялық жағдайын нашарлатады.

Келешекте Қазақстанда да осындай қондырғыларды қолдану қолға алынады деген үміттемін.