Жел энергетика қондырғысы, ғылыми жоба

Тақырыбы: «ЖЕЛ ЭНЕРГЕТИКА ҚОНДЫРҒЫСЫ»

Зерттеудің  мақсаты:   Маңғыстау өңірінде желден энергия алу үшін жел энергетика қондырғысын горизотальды және вертикалды түрін жасақтап, олардың жалғау схемасын  зерттеу және сынақтан өткізіп салыстыру. 

Жұмыстың міндеті:  колледждің бағдарламасымен шектеліп қана қоймай, жел энергиясы туралы теориялық білімін жетілдіре отырып, эксперимент жүзінде пайдалану.

Зерттеу жұмысының ғылыми болжамы: желдің қозғалыс жылдамдығымен өндірілетін энергияның арасындағы тәуелділілікті зерттеуге мүмкіндік алады. 

Зерттеу жұмысының әдістемелік негізі: жел қондырғысын жасауда табиғи және әр түрлі компазиттік материалдарды пайдалануға мүмкіндік қарастырады. 

Зерттеудің жаңалығы мен дербестігі: биіктігі бірнеше км болатын трубиналар арқылы  және вертикалды орналасқан қалақшалар арқылы жел энергиясын ала отырып және ауа кеңістігін тазартып тұруға пайдалануға мүмкіндік болатындығы – басты жаңалық.

Жұмыстың нәтижесі мен қорытындысы: жел энергиясы туралы теориялық сауаттылық практикамен ұштастыра отырып, жел энергетика қондырғысын  тиімді түрін таңдау, жалғау схемасын  зерттеу және сынақтан өткізіп салыстыру, табиғатқа және адамға пайдалы жел қондырғыларын, өмірде пайдасы бар екендігін дәлелдеу. 

Кілттік сөздер:  жел, генератор, электр станциясы , энергетика, ток, трансформатор, аккумулятор, лопасти и т.д.

МАЗМҰНЫ 

Кіріспе

«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.

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 энергетикасы — жел энергиясын механикалық, жылу немесе электр энергиясына түрлендірудің теориялық негіздерін, әдістері мен техникалық құралдарын жасаумен айналысатын 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. Республикамыздың барлық өңірлерінде жел қуаты жеткілікті. Жел энергиясының басқа энергия көздерінен экологилық және экономикалық артықшылықтары көп. Жел энергетикасы қондырғыларының технологиясын жетілдіру арқылы оның тиімділігін арттыруға болады. Жел энергиясын тұрақты пайдалану үшін жел энергетикасы қондырғыларын басқа энергия көздерімен кешенді түрде ұштастыру қажет.

Желдің орташа жылдамдығы 6,8 — 7,8 м/с, ал жел электр станциялары 4 — 5 м/с-тан бастап энергия бере бастайды. Желдің қарама-қарсы бағытқа өзгеруі сирек болуына байланысты мұнда турбиналы ротор типті жел қондырғысын орнату тиімді. Желдің жалпы қуаты 5000 МВт-тан астам деп болжануда. Бұл өте зор энергия көзі, әрі көмір мен мұнайды, газды үнемдеуге және, әсіресе, қоршаған ортаны ластанудан сақтап қалуға мүмкіндік береді.

Зерттеу материалдары мен әдіс – тәсілдері

Желқондырғысын орнату керек деген шешім қабылдадық. Біріншіден бізге тұтынатын энергиямыздың мөлшерін есептеп алу керек және өз жерімізге орташа соғатын желдің жылдамдығын білуіміз керек, екіншіден, жел- қондырғысын орнататын жерді таңдау. Ашық ландшафтағы төбе және тау жотасына жерқондырғысын орнату тамаша орын болып есептеледі. Төбеде жел жылдамдығы жазық тегіс жерге қарағанда ылғида жоғары. Егер 2 немесе бірнеше қондырғылар орнататын болсақ, онда олардың арасы мұнараның биіктігімен кем дегенде 5 есе артық болу керек, олай болмағанда жұмыс істегенде бір-біріне кедергі жасайды.

Маңғыстау өңірінде қолданып жүрген біздің жобамыздың ерекшілігі аса білікті маманды талап етпейді. Үйдің үшіне қондырғыны орната отырып, темір қалақшаларын шатырдың жоғарысынын жіберіп орнатсақ болғаны, 12 Вольттік техникалық құралдарды пайдалана аламыз.

Мемлекеттік деңгейде шаралар қабылданып жатқанына қарамастан, Қазақстанда қайта қалпына келетін және баламалы энергетика кенже қалған. Өкінішке қарай, бірнеше құрылысты, атап айтқанда, жел энергетикасы кешендерін салуға талпыныс жасалғанымен республикамызда бүгінгі күнге дейін бұл салада бірде-бір ірі жоба іске қосылмаған екен.

Мәселен, ҚР Қоршаған ортаны қорғау министрлігінің мәліметі бойынша, 2010 жылы баламалы энергия көздерінің үлесі 0,03%-ды құраған. Яғни, жалпы энергия көлемінің бір пайызына да жетпейді. Бұл дегеніміз, бұл саланы әлі де болса жетілдіре түсу қажет екенін көрсетсе керек. Салыстыру үшін айтсақ, тіпті, озық қалпына келетін энергия көздерін қолдану бойынша әлемдік аутсайдерлердің қатарына кіретін Ресейде де оның үлесі төмен, жалпы өндірілген энергияның бар-жоғы 1%-ын құрайды. Сонымен қатар оның базасында алынған жылу энергиясы 3%-ға жуықтайды. Қазақстанда жел энергетикасын пайдаланудың басымдықтары жел энергиясы ресурстарының бар болуымен анықталады. Қазақстан территориясының жартысында желдің орташа жылдық жылдамдығы 5-6 м/с., ал кейбір аудандарда желдің жылдамдығы 7-8 м/с. құрайды. Жел электростанцияларын салу ең алдымен, желіге қосылмаған шалғайдағы аудандарды энергиямен қамтамасыз етумен шартталады.

Елімізде жел энергетикасын дамытуға деген қызығушылық келесі артықшылықты факторлармен түсіндіріледі: жел – бұл отынның бағаларына тәуелді болып табылмайтын энергияның жаңартылып отыратын ресурсы; жел ресурсы елдің барлық территориясында қол жетімді болып табылады; орнатылатын жел энергетикасы құрылғысының қуаттылығына бәсекенің болуы; атмосфераға зиянды қалдықтарды тастаудың және парниктік газдарды жіберудің болмауы; шалғай аудандарды электроэнергиямен жабдықтауды орталықсыздандырудың мүмкіндігі. Қазіргі кездегі жел энергиясын пайдалану мүмкіндіктері: Желэнергетикасының күннен-күнге дамуы қарқындап өсуде. 31 желтоқсан 2005 жылы бүкілдүниежүзілік желэнергетикасының өндірілетін қуаты 58 982 МВт болды. Осындай қарқынды өсу сатысында Бүкіләлемдік желэнергетика ассоциациясы 2010 жылы жел энергиясын қуатын 120 000 МВт-қа өсіруді жоспарлап отыр. Жел қондырғылардың жетілдіруі мен көп жылғы тәжірибе, жұмсалатын шығын мөлшерінің төмендеуіне мүмкіндік туғызды, ал бұл АҚШ-та электроэнергия құнының 1986 ж 1 кВт. сағ – 14 центке, 1999 ж – 5 центке төмендегенінен көрінеді. Ал Европа елдері желэнергиясын дамытуда жетекші, алдыңғы шептегі жаңа технология өндірісінің орталығы десек те артық айтпаған болар едік.

Қазақстанда жел энергетикасын дамыту мақсатында энергия жүйесін бағалау 

«Қазақстан – жел энергиясы нарығын дамыту бастамасы» Қазақстан Республикасы Үкіметінің және БҰҰ-ның даму бағдарламасы (бұдан әрі – БҰҰДБ) бірлескен жобасының шеңберінде 2011 жылғы 10 наурызда Қазақстан Республикасы Индустрия және жаңа технологиялар министрлігінде «Қазақстанда жел энергетикасын дамыту мақсатында энергия жүйесін бағалау» тақырыбына тұсаукесер болды.

Тұсаукесерге БҰҰДБ, «KEGOC» АҚ, «Қазақстандық индустрияны дамыту институты» АҚ, «Каздорпроект» АҚ, «Астананың жаңа университеті» (Назарбаев Университет) АҚ, «Энергия» КазНИПИТЭС» АҚ өкілдері қатысты. Кездесу барысында жалпыға бірдей шолуға «VTT» фин компаниясының БҰҰДБ тапсырысы бойынша жел энергетикасының елдің энергия жүйесіне кірігу әсерін бағалау бойынша соңғы есебі ұсынылды. Бұл Қазақстанда жүргізілген қолданыстағы өндіруші қуатты бағалау бойынша алғашқы осындай зерттеу.

Қазақстанның энергия жүйесін зерттеуге сәйкес орталықтандырылған теңгерімдеу бар. Бұл жел энергиясының кірігуіне ықпал етеді, өйткені жел энергиясының тұрақсыздығын деңгейлестіру бойынша ең жоғарғы нәтижені қамтамасыз етуге болады: Қазақстандағы жел электр станцияларының  жалпы пайдаланатын өндіруші қуаты 80 % жоғары немесе жалпы белгіленген қуаттан 10 % төмен сирек болады.

Жел энергиясын өндіру жөніндегі болжамдық сценарий 2015 жылы жылына шамамен 250 МВт және 2030 жылға қарай жылына шамамен 2000 МВт өндіруді көздейді. Жел энергетикасының жел энергиясын жалпы өндіруге кірігу деңгейі 2015 жылы электр энергиясын жалпы өндірудің 1 % -ынан азын және 2030 жылға қарай шамамен 4 %-ды құрайтын болады.

Энергетика жүйесінің орныққан тәртіптемесінің авариялық бұзылу зардаптарын үлгілеу нәтижелері осы зерттеуде қаралған жел энергиясын өндіру сценарийі  энергетика жүйесінің қауіпсіздігіне қатер төндірмейтінін көрсетті.  2030 жылы қуаты 300 МВт «Шелек» жел электр станциясына ғана электр торабын күшейту қажеттілігі көрсетілген.

Энергетика жүйесінің шығынын талдау жел энергиясы Қазақстанның энергетика жүйесіндегі шығынды қысқарта алатынын көрсетті. Жел энергиясын теңгерімдеу құны 2030 жылғы деңгейде жел энергиясының құнын 0.3 – 0.6 €/МВт/сағ-қа арттырады. Қазақстанда жел энергети­касының потенциалы өте жо­ғары (секундына 10 метр) 10 елді мекен бар. Жоңғар қақ­пасында жел жылдамдығы 40-50 метрге жетеді. Қазақстанның оңтүстік ай­мағындағы территориялар күн энергетикасын дамытуға өте ыңғайлы. Жылдамдық артқан сайын, ауа ағысының сипаты өзгере түседі. Ауа қабаттары бірімен-бірі ретсіз араласып кетеді, үйірім пайда болады. Мұндай ағысты турбулентті деп атайды. Турбулентті ағыс жел энергиясын тиімді пайдалану мүмкіндігін азайтады, сонымен қатар машинаның тозуын тездетеді. Сондықтан турбина мұнарасының биіктігін барынша биік етіп қалайды, біріншіден жер бетіндегі пайда болатын турбулентті ағысты болдырмау үшін, екіншіден жел жылдамдығын арттыру үшін. Жел қуаты оның жылдамдығының кубына тура пропроционал. Мысалы, жерден 30 м биіктікте орнатылған желтурбинасы мен жерден 10 м биіктікте орнатылған турбинаның жылдамтықтарының айырмашылықтары 100% болады. 10м биіктікте орнатылған екі жел генераторы мен 30м биіктікте орнатылған бір генератордың өндірілген ток қуаты бірдей. Басында айтып кеткендей, желқондырғының орнын тағайындаған соң, сол аймақтағы орташа жылдамдық мәнін білуіміз керек. Ол үшін айлар бойы зерттеулер жүргізіп немесе метеостанцияның көмегіне жүгінуіне болады. Жел жылдамдығын өлшеу үшін үш шыныдан жасалған, вертикаль оське бекітілген анемометр аспабы пайдаланылады. 1 минуттағы айналым санын электрондық құрылғы тіркейді. Анемометр жел бағытын анықтайтын аспап, флюгермен жабдықталған. Жел бағытын анықтаудың тағы бір тәсілі, сол аймақтың өсімдік ағаштарын бақылау. Жалғыз және өсіп тұрған ағашты алып қарасақ, жел соққан жағының жапырағы сирек, қураған, бұтақтары ұзын және горизонталь болып келеді. Өз аймағымыздың климаттық жағдайы, бізге керекті энергия мөлшері, орташа жел жылдамдығы, орнын тағайындаған соң, желгенераторын шығаратын мамандардан мәлімет алған соң, желқондырғысының керекті моделін таңдауға болады. 

1 этап. Маңғыстау облысында жел энергиясын өндіру

Маңғыстау облысының ток көзі жоқ ауылды аймақтары бар екендігі белгілі. Біздің қондырғымызды пайдаланып отырған адамдар бар. Олар 12 Вольттік техникалық құралдарды пайдалану арқылы ток көзін алып отыр. Өңіріміз желді аймақ екені барлығымызға мәлім. Қысты күндері қондырғыны үй ішіне орнатуға болады. Жел алуға көмектесетін қондырғының арнайы қалақшалары бар. Қазіргі таңда қондырғымыздың сатылу бағасы 6-7 қойдың бағасымен пара пар. Ауылды аймақтарда 4 қондырғымыз пайдалану үстінде. Бұл қондырғыны жасау үшін көптеген темір қалдықтарын қажет етебі. Қара Желден энергия алудың

Артықшылықтары:

• Шикізатты сатып алу – тасымалдаудың, қалдықтарды шығарудың қажеті жоқ;
• Электр қуатын беруші компаниялардан дербестік қамтамасыз етілген;
• Ластаушы қалдықтар жоқ;
• Табиғи ресурстар үнемделеді;
• Отын, электр қуатының шығындары қысқарады;
• Атмосфералық жылулық балансқа әсер етпейді;
• Табиғаттың оттек қорын сақтайды;
• Желдің кинетикалық энергиясын электр қуатына тегін айналдырады.

Кемшіліктері:

• Жел қондырғыларының жұмысы эфир кедергілерін тудырады;
• Пайда болатын шу адамның және жануарлар әлемінің денсаулығына кері әсерін тигізеді;
• Жұмыстың тұрақсыздығы, энергияның берілуі бір қалыпты емес;
• Үлкен аумақты қажет етеді;
• Қымбат.

Қондырғымыз қатты қымбатқа ұшыраған жоқ. Бір артықшылығы бұл қондырғыны пайдалану үшін білікті маманды талап етпейді. Кез келген аккумуляторды пайдалана отырып үй ішіне энергия алып қолдану. Үлкен еңбекпен жасалған дүние халық игілігіне жарары сөзсіз.

Қорытынды

.Салыстыру нәтижесінде колледждегі жел генераторының макеті тиімді болып табылады.

Артықшылықтары:

• Шикізатты сатып алу-тасымалдаудың, қалдықтарды шығарудың қажеті жоқ;
• Электр қуатын беруші компаниялардан дербестік қамтамасыз етілген;
• Ластаушы қалдықтар жоқ;
• Табиғи ресурстар үнемделеді;
• Отын, электр қуатының шығындары қысқарады;
• Атмосфералық жылулық балансқа әсер етпейді;
• Табиғаттың оттек қорын сақтайды;
• Желдің кинетикалық энергиясын электр қуатына тегін айналдырады.