Жасыл энергетика

Кіріспе

Дүниежүзінде энергетикалық қуат көздерінің балама түрлерін пайдалануға деген бетбұрыстың басталғанына біраз болды. Ғалымдардың болжамынша, ХХІ ғасырдың ортасына қарай жаһандық энергетикалық баланстағы баламалы қуат көздерінің үлесі 30% дейін жетпек. Электр энергиясын тұтыну көлемі барған сайын артып барады. Дүниежүзі қазір жаһандық энергетикалық апат алдында тұр. Осы орайда Еуропалық одақ елдері балама энергетика үлесін 2021 жылдары – 20%-ға, 2040 жылдары 40%-ға жеткізуді көздеп отыр. Қазақстанның да энергетикалық қуат шикізаттарына балама табу мәселесін күн тәртібіне батыл қойып отырғаны содан. Қазақстан даласы геотермальдық энергия көздеріне бай. Сарқылмайтын энергия көздерін жан басына шаққанда әлем мемлекеттерінің алдыңғы сапында екенбіз. Қазақстанның климаттық жағдайы күн, жел, су ағынының энергиясын пайдалануға өте қолайлы болып табылады. Қалпына келтірілетін дәстүрлі емес энергия көздерінің ерекшелігі сол, қор көздері ешуақытта сарқылмайды, экологиялық жағынан да таза. Мәселен, соңғы отыз жыл ішінде жанғыш заттардың атмосфераны ластауы салдарынан Жер шарында 15 мыңға жуық табиғат апаты тіркеліпті. Ал, баламалы энергия көздерін пайдалану табиғат байланыстарын бұзбайды. Ең алдымен энергия, болашақ энергетикасы ұғымдарына тоқталып өтсек.

Энергия дегеніміз адамзат тіршілігінің дамуына жағдай жасаушы және ынталандырушы бірден-бір табиғи қайнар көз. Энергия социумдар үлгісінің сақталуын қамтамасыз етеді, ол көптеген аспектілерді біріктіретін ұғым ретінде бүкіл әлем мен адамзатқа тікелей қатысты қызықты сауалдарды туындатады. Қоғамның энергия көздеріне қол жеткізуі олардың әлеуметтiк, экономикалық және экологиялық тұрақты дамуының нақты жағдайларын тiкелей түрде анықтайды.

Болашақ энергетикасы – бұл қазіргі заманның келелі мәселелеріне және болашақтағы шешімдерді болжауға қатысты міндеттерді шешуге бағытталған, ойлануға нәр беретін ауқымы кең тақырып болып отыр.   

Болашақ энергетикасы келесіндей мүмкіндіктер береді:

• Қалпына келтірілетін қуат көздерін және энергияның басқа да баламалы түрлерін пайдалануға;

• Энергияны тұтыну тиімділігі және ұтымды пайдалануға;

• Көлікті электрлендіру;

• Халықтың экологиялық таза энергияға қолжетімділігі;

• Энергиямен қамтамасыз етілу;

• Энергия мен материяның, тіршілік пен адамның біртұтастығы.

Болашақ энергетикасының түрлері

Жел энергетикасы бұл жел энергиясын механикалық, жылу немесе электр энергиясына түрлендірудің теориялық негіздерін, әдістері мен техникалық құралдарын жасаумен айналысатын жаңартылатын энергетиканың саласы. Ол жел энергиясын халық шаруашылығына ұтымды пайдалану мүмкіндіктерін қарастырады. Елімізде арзан электр энергия көздерін іздеу мақсатында, “Қазақстанда 2030 жылға дейін электр энергиясын өндіруді дамыту туралы” мемлекеттік бағдарламаға сәйкес, жел күшімен өндіретін электр энергиясы қуатын халық шаруашылығына қолданудың тиімді жолдары қарастырылуда. Қазақстанда жел күшімен алынатын электр энергиясы қуатын кеңінен және мол өндіруге болады.

Жел энергиясы негізінен Күн энергиясының Жер бетін бірқалыпты қыздырмауынан туындайды. Сағат сайын Жер Күннен 1014 кВт сағ энергия алады. Күн энергиясының 1-2 % -і жел энергиясына түрленеді. Бұл көрсеткіш жер бетіндегі барлық өсімдіктердің биоқалдыққа айналғанда бөлініп шығатын энергиясынан 50-100 есе асып түседі. Бірнеше мыңдаған жылдар бойы адамдар желді – энергия көзі ретінде пайдаланған. Жел энергиясын пайдаланып желкен көмегімен жүзген. Жер суландыру кезінде, жел диірмені ретінде дәнді-дақыл өнімдерін ұнтақтау үшін қолданған.

Жел энергиясының қоры бүкіл планета өзендерінің гидроэнергиясынан 100 есе асып түседі. Ылғи да және барлық жерде жел соғып тұрады. Жаздың қоңыр салқын самал желін, апат, зардап шығын әкелетін керемет дауылдарды атап өтуге болады.

Қалпына келтіретін дәстүрлі емес жел энергиясының келешегі зор, экологиялық таза, қоры ешуақытта сарқылмайды, әрі арзан, тиімді. Бұларды пайдалану табиғат баланстарын бұзбайды. Жел энергиясын қолдану таулы аймақтардың жоғары бөктерінде толқынды теңіз жағалауларында ыңғайлы екені бәрімізге танымал. Жел энергетикасын дамытуға қолайлы аймақтар өте көптеп табылады. Жел күші жер бетінің ойлы-қырлы болуына тікелей байланысты. Мысалы, таулы аймақтың екі бөлігін қарастырайық, Күн көзінің екі бөлікке түскен энергиясы бірдей болғанымен, жердің кедір-бұдыры әр қилы болғандықтан, жел күшінің ықпалы, бағыты да әр түрлі болады. Жел күшінің ықпалы жыл мезгілінің ауысуына, ауа райының өзгеруіне байланысты өзгеріп отырады. Мысалы, Дания елінің климаттық жағдайын ескерер болсақ, фотоэлектрлік жүйемен қамтамасыз етілген энергия қыста - 18% , ал жазда - 100% берсе , ал жел станциясынан алынатын энергия қыста – 100%, жазда – 55% береді.

Күн энергетикасы. Күнді энергия көзі ретінде пайдалануды адамзат ежелден армандап келеді. Әйгілі грек ғалымы Архимед екінші Пуничек соғысында Сиракузах қаласында үлкен айнаның көмегімен Рим кемелерін жандырып жіберген деген аңыз бар. Ал Циолковскийдің өзі ғарыш сапарында жермен байланыс жасау үшін айнаны пайдалануды ұсынған. 1923 жылы Москвада өткен алғашқы ауыл шаруашылық көрмесінде Циолковскийдің жобасы негізінде жасалған күн қозғалтқышы көрсетілді. Мұндай мысалдарды тарихтан көптеп келтіруге болады.

Дегенмен қол жеткен жетістіктер мен табыстарға қарамастан, күн энергиясын күнделікті тіршілікке, тұрмысқа тікелей пайдалану мәселесі әлі де тиянақты шешімін тапқан жоқ. Оның көптеген объективті және субъективті себептері бар. Мәселен, күн сәулесі жер бетіне шашыраңқы түрде түседі. Әрбір шаршы метр жер бетінен тек жүз елу вольт шамасында энергия жинауға болады.

Қазір күн энергиясын пайдаланудың негізгі 4 бағыты белгіленіп отыр. Олар: жылу-техникалык, фото-электрлік, биологиялық және химиялық бағыттар.

Күн энергиясын пайдаланудың жылу техникалық әдісі күннің жылу энергиясын әр түрлі техникалық құралдармен пайдалануға негізделген. Мысалы, суды күн энергиясымен арнайы құралдарда коллекторларда қыздыруға болады. Коллектор дегеніміз бір жақ беті жақсы оқшауланған қара плита. Ол тек жарық сәулесін ғана өткізеді, шынымен немесе пластмассамен қапталады. Плита мен шыны аралығындағы кеңістікке су, май, сынап және тағы басқа заттар ағатын қара түсті трубалар орналастырылады. Әлгі шыны (немесе пластмасса) арқылы коллекторға өткен күн-сәулесі трубаға немесе плитаға сіңіп, оны қыздырады. Коллекторға түскен күн энергиясының сәулесі сыртқа шығып кете алмайтындықтан, ішкі температурасын 200-500°С-қа дейін көтереді. Өзіміз білетін кәдімгі бау-бақша парниктері де күн сәулесінің қарапайым коллекторлары болып саналады.

Шашырап түсетін күн сәулелерін бір нүктеге жинап алатын ойыс айна әрі күрделі, әрі қымбатқа түсетін коллектор болып табылады. Айнаның шағылысатын беті металданған пластмассадан немесе бірнеше тегіс айнадан параболоид пішінінде құрастырылады. Коллектордың мұндай түрлері белгілі бір механизмдердің көмегімен үнемі күнге қарай бағытталынып, оның сәулесін мүмкіндігінше мол жинайды. Айналы коллектордың температурасы 3000°С, кейде одан да жоғары болуы мүмкін.

Күн энергиясын пайдалаңудың тағы бір тәсілі фотоэлектрлік тәсіл, яғни күн фотондарын электр энергиясына түрлендіру тәсілі; Егер арнайы құрастырылған металл қабатқа күн фотонымен әсер етіп, одан босап шыққан электрондарды белгілі бір тізбекке қосса, онда осы тізбек бойымен ток жүретіні байқалды. Осындай әдіспен электр энергиясын өндіретін қондырғы фотоэмиссиялық генератор деп аталады. Әрине, бұл осы салада жасалған алғашқы сәтті қадамдардың бірі ғана.

Сонғы 10-20 жыл ішінде физика мен жартылай өткізгіштер химиясы саласында ашылған жаңалықтар негізінде күн сәулесінің жарық және жылу энергияларын тікелей электр энергиясына айналдыратын фотоэлектрлік түрлендіргіш – күн батареялары жасалды.

Күн сәулесі энергиясын тікелей электр энергиясына айналдыру тәсілі бізге «фотоэлектрлік эффект» деген атпен мәлім. Бұл құбылыс “тек металдардан ғана емес, сонымен бірге жартылай өткізгіштерден де байқалады. Мәселен, кремнийден жасалған фотоэлементті жартылай өткізгіштердің сондай қасиеті бар. Егер бір-біріне түйістірілген екі түрлі жартылай өткізгіштің арасына жарық түсетін болса, онда электр кернеуі пайда болады.

Ендігі бір ерекше көңіл бөлерлік бағыт - өсімдіктердің фотосинтез арқылы жарық энергиясын химиялық энергияға айналдыру құбылысы. Бүкіл жер шары бойынша бұл түрлендірудің пайдалы әсер коэффициенті 1%-тен аспайды. Ал балдырлар (мысалы, хлорелла), бұл көрсеткішті 6%-ке дейін өсіре алады. Бұл процесті ғылым кәдемізге асыра аларма екен? Бұл бағытта Ресей ҒА-ның фотосинтез, биохимия, өсімдіктер физиологиясы институттары, МГУ жане шетел ғылыми-зерттеу институттары зерттеулер жүргізуде. Сондай-ақ кейбір биологиялық түрлендіргіштерді практикада пайдаланудың екі сатылы жолы белгіленді. Бірінші сатыда күн сәулесімен жылдам өсетін микробалдырлар немесе басқа өсімдіктердің органикалық биомассасын жинап, екініші сатыда арнайы бактериялардың көмегімен оларды жоғары калориялы отынға, мысалы, метанға айналдыру қажет. Қазір, осы негізде, лабораториялық қондырғылар жасалып, тәжірибеден өткізілуде.

Күн энергиясын пайдаланудың тағы бір бағыты  химиялық бағыт деп аталады. Жарық сәулесінің әсерінен судың сутек пен оттекке айрылу құбылысының келешегі зор. Себебі, сутек аса бағалы химиялық шикізат. Басқасын айтпағанның өзінде ол таптырмайтын таза отын, әрі жер шарында оның таусылмас көзі судың мол қоры бар. Ғалымдардың тұжырымдауынша, сутекті құбыр арқылы алыс қашықтыққа жеткізуге де болады, оған кететін шығыгн электр энергиясын жеткізудегі шығын мөлшеріндей. Жерге түсетін күн энергиясы жылдың әр мерзімінде әр түрлі болғандықтан, аккумуляторларды пайдалану керек. Ал әлгі сутек жанды аккумулягор бола алады.

Күн энергиясын тек жылу энергиясын өндіру үшін ғана емес, электр энергиясын өндіру үшін де пайдалану мақсатында атқарылатын жұмыстардың маңыздылығы күн өткен сайын арта түсіп отырғаны жоғарыда айтылды. Бүкілодақтық «Күн» және «Квант» бірлестіктерімен бірге осынша күрделі жұмыстардың тиімді шешімдеріп табу жолыңда ҚазМУ-дың физика факультетінің ғалымдары да мақсатты ізденіс жұмыстарын бастап отыр.

Мол күн шапағына бөленген Қазақстан, табиғаттың осы бір сыйып қадірлеп, оны зор талғампаздықпен халқының игілігіне айналдырғаны абзал.

Қорытынды

Жап-жасыл Қазақстан. Күн нұрынан нәр алып, су күшімен қуаттанып, желдің самалымен желпініп өндіріліп жатқан энергия күштерімен тыныстау үстіндегі әлем. Тап-таза, кіршіксіз табиғат. Ауру-сырқаусыз дүниеге келген періште сәбилер, дені сау ана, дені сау халық. Гаджеттер мен смартфондарды қуаттау үшін, мәшиненің дөңгелегінің жүріп, діттеген жерге жету үшін, жарық сәуле алу үшін, тіпті электронды кітаптарға да қуат беру үшін табиғаттың сарқылмас күшін пайдаланып жүрген адамзат кейпі – болашақтағы біздің және біздің ұрпақтарымыздың заманасы. Оқу мен білім, жаңаша жаңалықтарға ұмтылған жалынды жастардың ғасыры.

Қазақстан әлем сахнасына жариялаған энергиялардың өндірілетініне нық сенемін. Ал, осы энергия көздерін тұтынған әлем халқы – ең бақыттылар қатарынан болатынына да еш шүбам жоқ...