Жел қондырғысының қуаттылығын және п.Ә.К есебі

Жел электрстансасының энергетикалық көрсеткіштерінің есептік зерттеу алгоритмі

Жел энергиясының қуатын пайдалануда, жел қондырғысының жұмыс тәртібі оның қалақша қимасынан ағып өтетін жел жылдамдығына оның бағытына және желдің тұрақты еместігімен бейімделген болуы қажет.

Ауданы – А, жылдамдығы – болатын көлденең қима арқылы өтетін ауның массасы – деп белгілейік. Сонда:

( 14.13)

мұндағы – ауа тығыздығы, кг/м³.

Желдің кинетикалық энергиясы тең, жоғарыдағы формуладағы шамасының мәндерін қоя отырып, келесі өрнекті аламыз:

(14.14)

Жел генераторының қуаты – жел күшінің оның жылдамдығына – көбейту арқылы анықталады. Еркін пішінді денеге күш әсер етеді, мұндағы – аэродинамикалық коэффициент; – мидельдік қиманың ауданы.

Желдөңгелек қалақшаларының бетінің жылдамдығын деп белгілейік. Сонда келе жатқан желдің салыстырмалы жылдамдығы ал күштің шамасы тең болады.

Осыдан қуаттың шамасы:

(14.15)

болады.

Қима ауданы -ға тең болатын, қозғалмалы жазықтықпен өзгеретін жұмыстың, көлденең қимасының ауданы сол жазықтық қимасы ауданына тең болатын, жел ағынының энергиясына қатынасы, желді пайдалану коэффициентінің мәнін анықтайды:

( 14.16)

Бұл жағдайда қуаттың шамасы:

(14.17)

- арқылы жердөңгелегінің диаметрін белгілейік. Ауа үшін температура шамасы және қысымы Па болған кезде желқозғалтқышының қуаты, кВт:

(14.18)

Желдөңгелегінің диаметрі, м:

. (14.19)

шамасының өзге мәндері мен қуаты үшін:

(14.20)

Осыған сәйкес, желдөңгелегінің диаметрі

(14.21)

Берілген қуатты дамыту керек болатын желдөңгелегінің жылдамдығын 8.....14 м/с тең деп қабылдау керек. Желқозғалтқышының тезжүргіштігі: , мұндағыn – желгенераторының айналым жиілігі; - желгенераторының радиусы.

Жергілікті орынның орналасуын анықтау үшін желқондырғысының орташа жылдамдығы салыстырмалы түрде тұрақты болғандықтан, оның қуатын жоғарылатуға болады, ол үшін жел ағыны өтетін қиманың ауданын жоғарылату керек.

Төменгі кестеде ЖЭС энергетикалық көрсеткіштерінің есептік алгоритмінің нәтежиесі көрсетілген.

(14.22)

Ауа үшін температура шамасы және қысымы Па

Бақылау сұрақтар:

1. Қазақстан аумағын желэнергетикалық ресурстармен аудандастырудың негізі неде?

2. Жер бетінде желдің пайда болу табиғаты неде?

3. Солтүстік және оңтүстікте ауа ағындары пайда болады оны қалай атайды?

4. Желдің лездік жылдамдығы неге әсер етеді?

5. Желдің орташа жылдамдығы қалай анықталады?

6. Жұмыс тәртіптері бойынша желгенераторларын классификацияла?

13- ДӘРІС

Тақырып: Геотермальды энергия көздердері. Мұхиттар мен теңіздердің энергетикалық қоры. Қазақстанның биоэнергетикалық қоры

Жоспар:

Геотермальды энергия көздерімен жылу және электр энергиясын өндірудің

жолдары.

Мұхиттар мен теңіздердің энергиясын түрлендірудің негізі жолдары.

Қазақстанның биоэнергетикалық қоры

Геотермалды энергияның дүние жүзіндегі жағдайы

Геотермалды энергияны ең алғаш 1904 жылы Итальян П. Джинони Конти гетермалды құрғақ бу сұйық қоймасының қолданылуымен алынды.

Бірінші АҚШ-та коммерциялық геотермалды электр стансасы электр энергияны 1960 жылдарнан бастап өндіре бастады.

Жылу мен қамдау үшін гетермалды энергияны қолдану Исландия, Жапония Филиппинде, Францияда, ҚХР, Венгрия, Жаңа-Зелландияда көп таралған [6,9,11,26,43].

ТМД елдерінде температурасы 100...150°С жерасты құйынды жүйелерді жасау үшін қолданылатын жылудың энаргетикалық әлеуеті болжаммен 70 миллард т.ш.о. құрайды.

Дегенмен оны игеру үшін жаңашыл өндіріс базасын жасауды немесе үлкен масштаптағы импорттық құрылғыларды сатып алуды талап етеді.

Бүгінгі таңда 58 мемлекет өздерінің геотермалды қор жылуын тек электр энергия өндірісіне емес, сондай-ақ жылу түрін пайдаланып отыр.

Ванна және бассейіндерді ысыту үшін - 42 % қолданады.

Қазіргі уақытта геотермалды энергия көздерін табуға негізінде фонтан (бұрқақ) әдісі қолданылады.

Жер қыртысының жылулық табиғаты

Геотермика (“гео” – жер және “термо” – жылу грек сөзінен) ғылымы, жер қыртысының және барлық жердің жылулық жағдайын, оның геологиялық құрылысына тәуелділігін, таулы жыныс құрамына, магматикалық үрдістерді және басқа бірқатар факторларды зерттейді.

Жер шарының жылулық жағдайының белгісі, ол жердің жылу бар терең қабатындығы температуралық градиен болып табылады.

Градиетті үлкен тереңдіктегі геотермалды аймақтағы ыстық сулардың температурасының мәндерін экстрополяциялап, жер қыртысының температуралық жағдайын бағалауға болады [6,11,44,30].

Жердің төменгі қабатында түзілетін қатты, сұйық және газ тәрізділердегі барлық табиғи түрдегі геотермальды қорды екі түрде қарастыруымызға болады:

Жер ядросының температурасы 5000°С(жуық) .

Жердің орташа температурасыәр бір 100 метр тереңдікте 3°С жоғарылайды. Осылай 20 км тереңдікте температура 700...800 °С мөлшеріне көтеріледі. Геотермалды энергияның негізгі көзі жер бетіне бағытталған жер ядросының балқыған жылу ағынынан пайда болады.

5.2-сурет. Геотермалды электр стансалар

Жер қыртысы астындағы таулы нәсілдерді балқытуға, магмаға айналдыруға бұл жылу жеткіліеті. Магманың көп бөлігі жер астында қалып қояды және пеш тәрізде қоршаған ортаны қыздырады. Егер жер асты сулары осы жылумен кездессе, оларда қатты қыздырады кейде 371 °С қа дейін, кейбір жерлерде, әсіресе материктердің тектоникалық плитасының жан- жағында, сондай-ақ “ыстық нүкте” деп аталатын нүктеде жер бетіне өте жақын келеді, тіпті оны геотермалды бұрғылау ұңғымаларының көмегімен табуға болады. Егер адамзат тек геотермалды энергияны қолданатын болса, жер жүзінің температурасы жарты градусқа төмендегенше 41 млн. жылдай кетеді [26,48,30].

Жер қыртысының бірінші 10 км жалпы жылу құрамы шамамен 310²³ ккалл құрады. Ол барлық әлем қорларының отын түрлерінің жылутүрленгіштік қабылетін 1000 есе жоғарылатады. Жердегі барлық жылу мөлшері отын эквивалентінде шамамен 4,510⁸ трлн т.ш.о. құрайды, ол шамамен 1℅ жер қыртысының жоғары 10 км-дегі жалпы жылуқұрамын құрайды.

Геотермалды энергия табысының физикалық негіздерін түсіну үшін жердің ішкі құрылысын және оның _{температуралық} өрісін қарастырайық. Жер бірнеше сақиналы тәріздес бөлік-бұлтшалардан тұрады – геосфералар өз бетімен бөліктерге бөлінеды: литосфера, мантия және ядро [6,11,26,44].

Ұзындық бірлігін тереңдетумен жердің температурасының жоғарылауы геотермиялық градиент деп аталады. Температурасы 1°С жоғарылайтын, метр тереңдеуіне сәйкес өлшемді геотермиялық саты деп аталады.

Күн сәулесінің қарқындылығының өзгеруіне байланысты жер қыртысының бірінші 1,5-40 м жылу режімі тәуліктік және жылдық тербелістермен сйпатталады. Ары қарай температура тербелісінің көп жылдық және ғасырлық орындары бар, тереңдігінен ақырын өшетін кез келген тереңдікте таулы нәслдерде температура Т келесі формуламен анықталады:

, (15.1)

мұнда  – берілген жергілікті ауасының орташа температуасы; H – тереңдік, анықталатын температура үшін; h – тұрақты жылдық температура қабатының тереңдігі;  –геотермиялық саты.

Геотермиялық сатының орташа өлшемі 33м-ге тең, және тұрақты температура аймағынан әрбір 33м тереңдейтін температурасы 1°С жоғарылайды.

Геотермиялық шарттар әртүрлі. Бұл сол немесе басқа Жер аймағының геологиялық құрылысымен байланысты. Температураның 1°С жоғарылауы

2 -3 м тереңдікте жүрген жағдайлары белгілі.

Бұл жалпы заңнан ауытқығандар көп жағдайда негізінен вулканды жанартау аудандарында орналасқан 400-600 м тереңдікте кездеседі мысалға: Камчаткада температура 150-200 °С дейін жетеді.

Геотермиялық градиент мәндері және жер шарының әртүрлі аймақтары үшін сатысы әртүрлі. Аса үлкен геотермиялық градиент 150°С/км-ге тең баланыста (АҚШ) тіркелген. Оған геотермиялық сатысы 6,6 м/°С сәйкес бұл жас жанартау аймағында кездеседі аса төменгі геотермиялық градиент 6 °С/км тең, бүл Витватерсранда (оңтүстік Африкада) тіркелген. Ол жерде геотермиялық саты 173 м/°С. Бұл аймақ кристалдық жер қыртысынан тұрады геотермиялық сатысы 33 м/°С тең [6,11,26,48].

Термалды энергия көздері

Термалды сулардың бірінші типі

Вулканды – жанар тауларды тесіп шығатын сулар ол термалды суларға жатады. Зерттеу тәжірбелері көрсеткендей, жанар таулы термалының суы басым жағдайда беттік инфильтрациялы болып келеді. Гейзерлерден басқа гидротермалдардың жанар таулы типіне кір грипондар және қазандар, булы ағындар және газды фумаролдар кіреді.

Гидротермалдар ерітілген түрде әртүрлі газдарды иеленеді: белсенді (агрессивті) көмір қышқылы сияқты көмір сулар, атом сутегі және аз белсенді – азот, метан, сутекті газдар бар.

Бүгінгі күні барлық геотермалды электростанциялар жаңашыл жанар тау аудандарында жұмыс істейді.

Екінші типі – терең платформалы шұңқырларда және тау алды иілген жерлерде шоғырланған жер асты суларын кондуктивті түрде ысиды. Олар жанар таулы емес аймақта орналасады және нормалды геотермиялық градиенті – 30-33 °С/км [11,43,44].

Мұнай мен газға бұрғылау жұмыстарын жүргізгенде, бірнеше миллион шаршы километр ауданын алатын жүздеген жер асты термалды сулардың артезиянды бассейдері табылған. Ереже бойынша, артезиянды бассейндер жазық аймақтармен тау алды иілген жерлерде орналасқан температурасы 100-150° С, 3-4 км тереңдікте .

Артезиянды бассейндер тауалы аймақтарда Альпы, Карпат, Қырым, Кавказ, Копет-Даг, Тянь-Шань, Памир, Гималайда бар. Бұл бассейндердің термалды сулары бағалы элементтерді шығарып алу үшін минералды шикізат ретінде қолданады.

Бұрғылаудың дамуымен 10-15 км тереңде жоғары жылу көздерін ашу болашақтың мақсаты. Мұндай тереңдікте кейбір аудандардың температурасы 350° С және одан жоғары.

Геотермалды стансалар

Геотермалды энергияны тікелей қолдану

Қазіргі уақытта геотермалды энергия екі негізгі бағытта қолданылады – жылумен қамдау және электр энергиясын алу.

Бірқатар технологиялар және жетілдірілген құрылғылар жылу және электр энергиясын жеке тұтынушылар және құрамдастырылған өндіріс үшін пайдаланады.

Жанар таулы аудандарда геотермиялы станциялар тереңдігі 0,5-3 км жер астындағы табиғи ыстық су кен орнынан негізделген.

Су буының орташа құрғақтық дәрежесі 0,2-0,5 және 1500-2500 кДж/кг. энтальпиясы бар. Пайдаланатын ұңғыша стансасыны 3-5 МВт энергия мен қамтамасыз етеді [11,26].

Табиғи буды тікелей қолданатын геотермиялық электр станса

Ең қарапайым және арзан геотермиялық электр қондырғылар қарсы қысымды бу турбиналы қондырғылардан тұрады.

Ұңғышадағы табиғи бу тікелей турбинаға беріледі одан атмосфераға немесе құрылғыға шығады одан бағалы химиялық заттарды аулаушыға береді. Бу турбинасына екіншілік бу немесе сеператордан алынатын буды

беруге болады. Бұл қондырғы қарапайым, бағасы және пайдалану (эксплуатациялық) шығындары төмен. Ол аса үлкен емес ауданды және қосымша құрылғыларды қажет етпейді оны қозғалмалы геотермалды электрстанциясына келтіру оңай.

Қарастырылған сұлба табиғи будың жеткілікті қоры бар аудандар үшін аса қолайлы. Мұндай қондырғыны тиімді пайдаланса тіпті ұңғыманың ауыспалы дебитінде де тиімді жұмыс істеу мұмкіндігін қамтамасыз етеді.

Мұндай станциялардың бірнешеуі істейді, оның қуаты 4 мың кВт.

Табиғи буды тікелей қолданатын конденсациялы турбинасы бар геотермиялы электр станса (15.4-сурет). Бұл станса жаңа үлгімен жасалынған ұңғымадағы бу турбинаға беріледі одан өңделген бу араластырушы шықтатқышқа (конденсаторға) түседі. Салқынданатын су және конденсат жер астындағы бакқа жіберіледі, одан сорғылармен алынып, градирниге салқындатуға береді.

Градирниден шыққан салқындаушы су қайтадан конденсаторға(15.4-сурет) түседі. Қондырғының қуат қолдану коэффиценті 98 ℅ құрайды.

15.4-сурет. Табиғи буды тікелей қолданатын шықтатқыш (конденсациялы) турбинасы бар геотермалды электр стансаның сұбасы: 1-ұңғыма; 2-турбина; 3-өндіргіш ( генератор); 4-сорғы; 5-шықтатқыш (конденсатор); 6-су желдеткіші; 7-сығымдағыш (компрессор); 8-лақтыру

Теңіз және мұхит толқындарының энергиясы

Дүниежүзілік мұхиттың энергия қорының зор екені белгілі, өйткені жер бетінің үштен екі бөлігін (361 млн. шаршы км) мұхиттар мен теңіздер алып жатыр. Тынық мұхитының экваториясы 180 млн. шаршы. км-ді, Атлант мұхитынікі – 93 млн. шаршы км, Үнді мұхиты –75 млн. шаршы км. экваторияны алып жатыр. Мұхит ағыстарының кинетикалық энергиясы 10¹⁸ Дж мөлшермен бағаланады. Бірақ адамзат бұл энергияның өте аз бөлігін ғана пайдаланып келеді [1,6,11,14,25].

Дүниежүзілік мұхит энергиясының негізі – оның күн сәулесін жұту нәтижесінен туады, мұхитқа энергия тағы да космостық денелердің өзара әсерлесуінің және планетаның су маңыздары жасайтын тасқындарының нәтижесінен және де алыс планета тереңінен түседі.

Су және ауа массаларының қозғалысы арқасында мұхиттың энергия қоры бүкіл планетаға тасымалданады, сонымен қатар экватор мен 70⁰ с. е. арасындағы орташа есеппен алғанда 40% жылу мұхит ағыстарымен, ал 20⁰ с. е-те 74% энергия тасымалданады [6,14,33,41].

Күн сәулесінің энергиясы шамамен 2/3 бөлігі мұхитқа және құрлыққа түсіп оның бетінде көптеген өзгерістерге ұшырайды: 43% жылуға түрленеді, булануға және жауын-шашын құрауға 22%, өзендерге, желге, толқындарға, мұхиттағы әртүрлі ағыстарға энергия беруге 0,2% /14,15/.

Тартылыс құбылысынан туатын ығысу энергиясы

Бүгінгі таңда біз білеміз, теңіз суларының ретті қозғалысы сияқты табиғаттың зор құбылысы

Ай мен Күннің тартылыс күшін тудырады. Тасқындық толқындардың энергетикалық потенциалы – 3 млрд. кВт-ты құрайды. Мұхит энергиясын пайдаланудың ең дұрыс әдісі бұл – тасқындық электр стансаларды салу болып есептеледі.