Жел энергиясын пайдалану мәселелері презентация к уроку

• «Жалпы білім беретін Ш.Абенов атындағы орта мектебі» КММ

« Жел Энергиясын пайдалану мәселелері» ғылыми жоба

Авторы: 10 сынып оқушысы Қайырғазина Айпара

Жетекшіcі: Байбекова Венера Заманбекқызы

физика пәні мұғалімі

• « Жел Энергиясын пайдалану мәселелері» ғылыми жоба

• Зерттеудің мақсаты.

Энергияның негізі көздерімен қатар, қайта толығып отыратын жел энергиясын кеңірек қолдану. Болжамы : біздің елеміздің жел энергетикасын дамытуға шамасы бар. Себебі біздің еліміздің климаты шұғыл континеті таулы аймақтарымен қатар жазық жерлер, су қоймалары көп кездеседі. Жел электр станциялары Алатау маңында, Астана және Шығыс Қазақстан өңірлерінде тиімді.

• Зерттеудің міндеттері

Біздің республикда жел энергетикасын дамыту Қазақстан үшін Жел энергиясын қолдану біршама басқаларға қарағанда тиімді екеніне көз жеткізу.

Біріншіден, біздің елдің климаты шұғыл континентальды. Әсіресе осы Шығыс Қазақстан облысы маңайында жел барлық жерде соғады. Және ашық қоныстанбаған аумақтар, көлдер де бар.

Екіншіден, жел қондырғылары көлдерде, ашық, адамдар тұрмайтын аймақтарда салынуы тиіс. Ғалымдардың айтуы бойынша желэнерго қондырғылары жұмыс істеу үшін желдің жылдық орташа жылдамдығы 3,5 – 4 м/с кем болмауға тиіс. Ал біздің Республикамызда соғатын жел жылдамдығы 3,5 – 6 м/с дейін жетеді. Осының барлығын ойластыра келіп, жел энергиясын алу біздің елге қаншалықты тиімді екенін зерттеп анықтағым келді. [6]

Міндеттері : Осы күнгі жұмыс істеп тұрған электр станцияларының артықшылығы мен кемшіліктерін анықтап, альтернативті энергия көздерін анықтау.

Зерттеу кезеңдері :

Жел энергиясын кеңірек зерттеу.

Жер бетінде орналасқан жел қондырғыларының кемшіліктерін анықтау.

Жер бетінен биікке орналасқан жел қондырғылары.

Олардың артықшылықтарын көрсету.

Зерттеудің жаңалығы:

жел энергиясын тиімді пайдалану үшін, жер бетінен өте биікке орналастырылатын жел қондырғыларын жасау.

• Тақырыптың өзектілігі:

а ) Барлық бізге белгілі энергия көздері таусылуға жақын (таскөмір 570 жылға, мұнай 35 – 40 жылға, ал газ 50 жылға жетеді).

б) Мұнайды, таскөмірді, газды өндіру, оны іздеу өте үлкен қаржы қажет етеді. Көптеген өте күрделі жұмыстарды және көп технологияларды қажет етеді.

в) Осы энергиялық ресурстарды пайдаланудың экологиялық жақтары: электр энергиясын алу үшін және транспорттың жүруін қамтамасыз ету үшін жағылатын отын (мұнай, бензин, көмір) жанған кезде бөлініп шығатын көмірқышқыл газы жер бетінің жылулық сәулесін жұту арқылы, ауа райының әлемдік жылуына әкеліп соғады. Соңғы екі ғасырдағы адамзаттың іс-қимылы табиғатқа елелі нұқсанын тигізді. [4]

Экономикалық даму қарқыны ол энергетиканың барлық жағынан дамуы арқылы жүреді. Адамзатқа электр энергиясы өте қажет және оның қажеттігі жыл сайын артуда. Сол себептен барлық елдерде энергия алудың альтернативті жолдары қарастырылды.

   Адамзат жел қуатын ерте заманнан бері пайдаланып келеді,желкенді қайықтар мен кемелерді есімізге түсірейік. Ал жел диірмендерді алғаш рет біздің дәуірімізге дейінгі 200 жылдары Персияда астық тарту үшін пайдаланған. Ислам әлемінде кең тараған диірмендерді 13 ғасырда крест жорықшылары Еуропаға алып келеді. Жел айналдыратын  алғашқы диірмен XVI  ғасырда Данияда ойлап табылып, оны ұн тартуға, батпақты жердің суын құрғату үшін пайдаланды. 1890 жылы тұңғыш жел электр стансасы іске қосылды. Одан бері Еуропа елдерімен қоса, Қытай, Жапония, Египет, Үндістан секілді елдер өз өндірісінде қолданып келеді. Желдің энергиясы кейде «көгілдір көмір» энергиясы деп аталады.

• Жел энергетикасының тарихына қысқаша шолу.  

Баяғы заманнан бері жел энгергиясы 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.

Ал құрлықта мыңдаған жел диірмендері баяғыдан бері астықты майдалаған, ағаштарды аралаған, суды жер бетіне шығарған және басқа да көптеген пайдалы істерді атқарған. Жел диірмені жайында алғашқы жазу 644 жылы жазылған. Мұнда Халифа Умара ибн ал-Каттаба деген кісіні өлтірген Абу Лулуаныны «жел диірмендерін құрастырушы» деп атаған. Ал Еуропаның 1105 жылғы архивында сопыханаға берілген жел диірменін салуға рұқсат қағазы сақталған екен. Француздық 1180 жылғы және ағылшындық 1190 жылғы ақпараттарда жұмыс істейтін жел диірмендері туралы тікелей айтылған.

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 етеін, ол кезде ең қуатты(1250 кВт) желэлектрстанциясы жұмыс істеген.

Жел энергиясы  — 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 .

Жел энергетикасын, әсіресе, осы Шығыс Қазақстан облысында дамытуға әбден болады.

ЖЭС жұмыс істеу принціпі

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.

• Жоғары биіктікте орналасқан тросты турбинаның жел энергетикалық қондырғысы

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*V 3 S*ρ* формуласына тәуелді.

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

Егер ротордың ауданы 50000 м 2 , ρ=1,225кг/ м 3 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.

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~ύ 3 .

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/м 3 . 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 .

Жер бетіндегі жел энергоқұрылғылардың кемшіліктері:

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.

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.

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.

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.

• 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

• Қорытынды

Қазіргі жер бетіндегі орналасатын жел қоңдырғыларды өздерініің жоғары даму сатысына жеткен. Осы күндегіден артық жел қоңдырғылары жақын арада жасала қоймайды. Желдің энергиясы тегін болғанымен оны іске жарататын жерде орнатылған қоңдырғылардың беретін энергиясы жылу электр станциялары беретін энергиядан әлденеше қымбат.

Сондықтан жел энергиясының пайдаланудың басқа жолдарын қарастыру қажет. Ол, менің ойымша, жер бетінен биік орналасатын жел қоңдырғылары. Осы күндегі жер бетіндегі қоңдырғыларымен салыстырса:

- Алынатын энергия әлдеқайда арзан;

- Ротордың өлшемдерін өте үлкендетіп жасау арқылы қоңдырғының

қуатын арттыруға болады;

Қарапайым жел қоңдырғыларына қарағанда биіктікте орналасқан жел қоңдырғыларының қуаты ондаған есе үлкен;

Жер бетінде көп орын алмайды. Кез келген жерге орнатуға болады.

Тұтынушыға жақын орналастыру арқылы энергия тасымалдау проблемасының жоқтығы; Шу жоқ. Ландшафтты бұзбайды. Энергияны алу тұрақты, себебі биікте үнемі жел соғады. Қоңдырғыны кез келген жерге ауыстыруға болады.

Осы идеяны толық зерттеп, эксперимент жасап, кішкентай модельдер жасау арқылы теорияны білетін адамдар тексерсе, менің ойымша, энергетика проблемасын біраз алға басушылық болар еді.