Жел энергиясы көздері

«Президентіміз Н.Назарбаев «Қазақстан-2050» Стратегиясында атап өткендей, «көмірсутегі шикізатының нарығында ірі ойыншы болып қала отырып, біз энергияның баламалы түрлерін өндіруді дамытуға, күн мен желдің энергиясын пайдаланатын технологияларды белсенді енгізуге тиіспіз. 2050 жылға қарай елде энергияның баламалы және жаңғыртылатын түрлерін қоса алғандағы барлық энергия тұтынудың кем дегенде тең жартысы келуге тиіс. Елдің дамудың «жасыл» жолына көшуіне Астанадағы алда тұрған ЭКСПО-2017 қуатты серпіліс беруі тиіс»

Елімізде тәуелсіздік алған күннен бастап арзан, тиімді электр энергия көздерін іздеу мақсатында, “Қазақстанда 2050 жылға дейін электр энергиясын өндіруді дамыту туралы” мемлекеттік бағдарлама қабылданды. Осы бағдарламаға сәйкес қазіргі уақытта жел күшімен өндіретін электр энергиясы қуатын халық шаруашылығына қолданудың тиімді жолдары қарастырылуда.

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 дауыоға дейін. Біздің елімізде соғып тұрған жел республикамызға қажет электр энергиясын өндіруге шамасы бар. Жердің жел энергиясы 1200 ГВт, бірақ женрдің 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 керке). Жел ағынындағы энергия, желдің жылдамдығының кубына тура пропорционал. Бірақ та идеал машинаның өзі жел энергиясын түгел пайдаға жарата алмайды.

Теория жүзінде жел энергиясын пайдалану коэфициенті (ПӘК) 59,3 % артық болмайды. Ал іс жүзінде бұл кофициент 50 %, бірақбұл 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 салында.

Шет елдерде жел энергиясын қолдану үлкен табыстарға жеткен. Франция, Данияда ЖЭС қуаттары 1 МВт-тан асады. Ең қуаттысы ЖЭС АҚШ – та. Оның қуаты 4 МВт. Ам ерика жаман газдардың шығуын 2050 жылға дейін 60 % кемітуді жоспарлап отыр. Олар 2030 жылға дейін шығарылатын  электр энергиясының 20 % жел энергиясы болады деген болжам жасаған.

Европаның 10 ірі банкісі және жеке инвесторлар жел энергиясын алуды қаржыландырады. Бұнда көбінесе ЖЭС тұрақты ток алатын электр станциялары.

Жел дөңгелегі электр тогының генераторы динамомашинаны іске қосады, ал ол параллель қосылған аккумуляторды зарядтайды. Аккумуляторлық батарея генератордың клеммаларындағы кернеу аккумулятордың клеммаларындағыкернеуден 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 электрқондырғысының монтажы жасалып аяқталды (2004 жыл, қазан айы). Монтажды Индия және Қазақстандық мамандар жүргізген (Кетау 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.

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.

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. Мысалы «Сокол» жел агрегаты (Р=4 кВт) мачтасының биіктігі 101 м, роторының диаметрі 12 м. «Гровиан» (Германияда, қуаты 3 МВт) қондырғының роторы 100 м, ал биіктігі 30 қабатты үйдің биіктігінен үлкен, массасы бірнеше тонна.
3. Қуаты 4 МВт атом электор 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 организіміне, сонымен қатар аңдар мен құстарға үлкен әсер етеді. Сол жердің экологиялық жағдайын нашарлатады.

Жер бетінен биікке орналасқан жел қондырғылары

Жер бетіндегі соғатын желді пайдаланатын жел диірменінің көптеген кемшіліктері жоғарыда айтылды. Сол себептен жердің бетінен үлкен биіктікте соғатын жел энергиясын пайдалану тиімді.

Жел двигателінің қуаты желдің жылдамдығының ύ³ тәуелді. Жердің бетіндегі ондаған метр биіктікте жылдамдық 5-6 м/с жетеді.

Ал тропосфера қабатында жел өте күшті соғады және тұрақты.

Мысалы 4,5 км биіктікте ύ =20м/с. ал 10-20 км-де ύ=40м/с. Сол себептен қуатты көбейту үшін жер бетіндегі көптеген жел қондырғыларды биікке көтерілген бір жел қондырғысымен алмастыруға болады.

Ол үшін айналатын жел дөңгелегі роторды өте биікке, тұрақты жел соғатын биіктікке орналастыру қажет. Ол желдің бағытымен айналу бағытын да өзгерте алатын болу керек. Биіктігі 10 км-ге дейін жеткізуге болады. Ең маңызды және күрделі  жеріжелдің механикалық энергиясын жердегі электр генераторына жеткізу. Ол үшін жаңа материалдан жасалған тростар пайдаланады. Ол тәсіл жер бетіндегі қондырғылардың кемшіліктерін қайталамайды. Ол:

•    100 МВт қуатқа дейін алуға болады. Себебі жылдамдық үлкен, оған қоса арзан түседі.
•    Биікте тұрғындықтан қуат тұрақты, себебі үнемі жел соғады.
•    Шуы естілмейтін, себебі биікте тұр. Орналасқан жердегі ландшафты бұзбайды. Сол себепті үлкен қаланың қасына орналастыруға болады. Яғни, энергияны тасымалдауға кететін қаржы үнемделеді.

Сонымен қатар бұған қарсы тұратын пікірлер де болуы мүмкін. Ол ең бірінші ротордан механикалық энергияны жердегі электргенераторына жеткізетін тростың салмағы. Қазіргі кезде шығып жатқан өзі арзан, өзі жеңіл жасанды талшықтардан жасалған тростарды пайдалануға болады. Осы тростар болаттан 30-100 есе берік және 3 есе жеңіл. Және созылуға шыдауы болаттан 3-5 есе артық. Қазір осындай материалдан жасалған тростарды нанотрубалар дейді. Ол өте жұқа көміртегінің талшықтарынан жасалған. Осы нанотрубалар химиялық реакцияларға да, жылу әсеріне де шыдамды.

Генератордың өзі жерде болғандықтан, оны пайдалану, жөндеу ыңғайлы болады. Қаланың маңайында орналасқандықтан жоғары вольтті желілердің қажеті жоқ, ұстағыш бағаналардың да қажеті болмайды, сол себептен алынған энергия арзанға түседі.

2. Іске қосу, жүргізу, бақылау, басқару проблемалары

Қондырғыны қажет биіктікке көтері қиын жұмыс емес. Егер желдің жылдамдығы 2-3 м/с болса, қажет қондырғыны жерден жел өзі көтере бастайды. Ал егерде қондырғы мүлде көтерілмесе, онда оны оңай гелийге толтыруға болады. Сол кезде ол өзі де ауаға ұшып кетеді.

Роторды айналдыру ол генератор арқылы іске асады. Ал айналу жылдамдығы аздары өздері айнала бастайды. Қуатты реттеу ротордың қалақшаларын желге қатысты әр түрлі бұрулар арқылы іске асады. Ал ол стабилизатор арқылы орындалады.

Биктігі тростың ұзындығы арқылы реттеледі. Негізгі троста желдің жылдамдығы анықтайтын датчиктер болу керек. Сол арқылы қажет биіктік реттеледі.

Егер желдің жылдамдығы 0 болып қалса, (ондай жағдай өте сирек, ықтималдығы 0,001) онда қондырғыны ауа баллоны арқылы (дирижабль сияқты) ұстап тұруға болады немесе жердегі генератор арқылы пропеллерді айналдыруға болады. Қатты желдің әсерін жерде орнатылған инерциялы маховик арқылы реттеуге болады. Яғни, оны жылдамдығы төменірек биіктікке түсіруге болады.

Ұсынылған қондырғының артықшылығы:

•  Жер үстіндегі қондырғымен салыстырғанда өлшемдерін үлкейтіп алу арқылы қуатын арттыруға болады.
•  Осы қондырғыны 100 м-ден 14 км-ге дейін орнастыруға болады. Осы биіктіктегі жел жылдамдығы жер бетіндегіден 3-4 есе үлкен және тұрақты.
•  Жылдамдық үш есе артса, қуаты 27 есе артады N~ύ³.
•  Генератор жерде орналасады. Себебі алынатын қуат өте үлкен, (12,5-20 МВт) ондай қуаттағы генератордың массасы 10 тоннаға жетеді.
Ең бір ұтымды жері механикалық энергияны электр энергиясына айналдыру үшін қажет талшықты трос. Оның тығыздығы 1800 кг/м3. Мысалы, егер кабель мыстан жасалса, 10 км (2 есе ұзын) биіктікке қосатын кабельдің массасы 89360 т, осындай ұзындықтағы нанотрубаның массасы 3,33 т. Ол 27000 есе жеңіл.

Ең бір ұтымды жері механикалық энергияны электр энергиясына айналдыру үшін қажет талшықты трос. Оның тығыздығы 1800 кг/м³. Мысалы, егер кабель мыстан жасалса, 10 км (2 есе ұзын) биіктікке қосатын кабельдің массасы 89360 т, осындай ұзындықтағы нанотрубаның массасы 3,33 т. Ол 27000 есе жеңіл.

Жоғары биіктікте орналасқан тросты турбинаның жел энергетикалық қондырғысы

1 – ротор (турбина)
2 – қанат
3 – механикалық энергияны тасымалдау системасы
4 – генетор
5 – реттегіш (стабилизатор)
6 – қалақшалар
7 – тартқыш (растяжка)
8 – датчиктер
9 – пропеллер

Ротордың қалақшалары екі трос арқылы бекітілген. Соққан жел, қалақшаларды айналдырады, өзінің орнықтылығын және биіктікте болуын қанат және стабилизатор арқылы жүзеге асырады. Ротордың механикалық энергиясы электргенераторына тасымалдау системасы арқылы беріледі.

Осы жел қондырғысын Н =1 км биіктікке орналастыруға болады. Осы биіктіктегі желдің жылдамдығы 13 м/с. Ал ротордың айналдыратын жел ағынының қуаты N =1/2*ύ³S*ρ*cos⁡α формуласына тәуелді.

Бұндағы ύ - желдің жылдамдығы, S – ротордың ауданы, ρ – ауаның тығыздығы, сонда N~(13м/с)³. α =20°.

Егер ротордың ауданы 50000 м², ρ=1,225кг/ м³ болса, 1 км биіктікте N~0,5*50000*1,225*0,94≈63МВт. Егер осының 20% электр энергиясына айналса, онда пайдалы қуат N_пай=12,5 МВт. Бұл қуат150000 адамы бар қаланы энергиямен толық қамтамасыз етеді.

Ауданды 4 есе және биіктікті біраз арттырдық делік. Желдің жылдамдығын арттыру арқылы 75 МВт қуаты бар 1 млн-нан асатын халқы бар үлкен қаланы түгел электр энергиясымен қамтамасыз етуге болады.

Қолданылған әдебиеттер тізімі

1. В.В.Володин, П.М.Хазановский «Энергия, век двадцать первый» Москва, издательство «Детская литература» , 1989 год. Стр. 59-69
2. Б.Н.Бирюков «От водяного колеса до квантового ускорителя» Москва, издательство «Машиностроение», 1990 год. Стр 10-15.
3. Ш.Қ.Биболов «Оқушы анықтамасы: Физика» Алматы, «Арман –ПВ» баспасы, 2005 жыл
4. А.Голдин «Океаны Энергии» Пер. С англ. И.Бочаровой, Москва, издательство «Знание», 1983год стр 25-30
5. Л.С.Юдасин «Энергетика проблемы и надежды» Москва, издательство «Просвещение», 1990 год. Стр. 37-45.
6. Тлеуов Т. «Использование нетрадиционных и возобновляемых источников энергии для энергоснабжения сельскохозяйственных объектов Казахстана» Алматы, издательство «білім», 1995 год. Стр. 49.
7. Непорожний П.С., Попков В.И. «Энергетические ресурсы мира» Москва, издательство «Энергоатомиздат», 1995 год.

О.Тұрмағанбетұлы атындағы Жаңаөзен мұнай және газ колледжі
Арнайы пән оқытушы
Кенесова Айгуль

---

Әлеуметтік желілерде бөлісіңіз: