«Дәстүрлі емес және жаңаратын энергия көздері»

Дәріс 15

1. Химиялық энергия.

5. Сутекті энергетика.

Химиялық энергияның жылуға айналуы қандай да бір аралық процессіз тікелей жүреді. Әртүрлі заттарды жағу – бұл химиялық энергиядан жылуды алудың ең көне және оңай әдісі болып табылады.

Химиялық энергиядан жұмысты немесе электр энергиясын алу қиынырақ болады.

Теориялық тұрғыдан алғанда энергияның бір түрінен екіншісіне өтетіні белгілі, бірақ қазіргі уақытта практикалық жағынан химиялық энергияның жұмысқа немесе электр энергиясына айналуы қажетті жағдайларда ғана жүзеге асырылады. Босатылатын энергия бастапқыда толығымен жылуға өтеді де, содан соң жылулық қозғалтқыштар көмегімен жұмысқа немесе электр энергиясына айналады. Химиялық энергияның жұмысқа немесе электр энергиясына тікелей айналуының механизмін жеткілікті білмеу, бізге жылуды делдал ретінде қолдануға мәжбүр етеді.

Жылуды химиялық және электрлік энергия немесе жұмыс арасындағы делдал ретінде пайдалану екі жақты көзқараспен қарағанда тиімсіз. Біріншіден, әрбір нақты процесс қайтымсыз болғандықтан, ол энергияның ыдырауымен өтеді. Процесс өтетін саты неғұрлым көп болған сайын, біз соғұрлым көп энергия жоғалтамыз. Көп сатылы тізбектелу процестерінде (химиялық энергия→жылу→жұмыс→электрлік энергия) энергияның ыдырауы, бірсатылы айналуларға қарағанда көбірек болады.Екіншіден, термодинамиканың екінші бастамасына сәйкес, жылу толығымен жұмысқа айнала алмайды. Сонымен, егер де барлық процестердің кері өтуіне мүмкіндік берілсе, онда жылуға айналудың аралық процесінің қосылуы энергияны көп мөлшерде жоғалтуға әкеліп соғады. Міне, сондықтан химиялық энергияны электрлік энергияға айналуының көп сатылы процесі бізге тиімсіз.

Біздің біліміміздің жеткіліксіздігі әлемдік экономикаға өте қымбатқа түседі.

Материяның әр алуан түрінің қозғалыс заңдары туралы терең білім ғана, энергияның айналуларына қажетті процестерді керек бағытта сенімді және үнемді өткізуге мүмкіндік береді. Әзірше, бұл циклдан жылуды алуға болмайды, өйткені, химиялық энергияның сенімді және үлкен пайдалы әсер коеффициентімен реттелген молекула қозғалысының энергиясына айналдыратын қондырғыларды құру мүмкіндігі жоқ.


Жылуды шектеу мүмкіндіктері
Жылуды делдал ретінде қолдануды шектеу мүмкін бе? Жалпы алғанда, химиялық энергияның тікелей жұмысқа және электрлік энергияға айналуы мүмкінбе?

Бұл сұрақтарға термодинамикалық теория бір мәнді жауап бере алады. Термодинамиканың екі бастамасына сәйкес, кез келген термодинамикалық процестерде босатылатын ішкі энергияның бір бөлігі жұмысқа айналуы мүмкін.

Процестің кері енуінің ең қолайлы идеалды жағдайында абсолютті температурамен Т алынған жұмыспен А босайтын ішкі энергия ∆ U арасында келесідей байланыс бар:
А_m= ∆U+Td А_m /dT (1)

Егер dА_m/dT>0 болса, T(d А_m /dT) тең энергия жылуға өтеді, онда процесс беретін максималды жұмыс ішкі энергия өзгерісінен аз болады. Тәжірибеден білетініміздей, химиялық процестеріндегі алынатын максималды жұмыс температурамен аз өзгереді, ал теориялық жағынан химиялық процестерде босатылатын энергияның көп бөлігі тікелей жұмысқа айналуы мүмкін. Энергияның бұл бөлігі неғұрлым көп болған сайын, температурасы Т соғұрлым төмен болады:

Метан жанған кезде ∆U=-213ккал/моль, ал жұмыс А_m= -196ккал/моль. Көмір жанған кезде босатылатын ішкі энергия ∆U=-94ккал/мольге тең, теориялық жағынан толығымен жұмысқа айналады. Нақты процестің П.Ә.К әрқашан төмен болады. Соған қарамастан, кез келген тікелей айналулардың П.Ә.К-і жылуға айналудың аралық кезеңін бар болғандағыдан көбірек болады. Сонымен, энергияны өндіру процестері үшін қолданылатын процестерде босатылатын энергияның көп бөлігінің жұмысқа айналуы мүмкін. Көптеген жағдайларда химиялық энергияның тікелей жұмысқа айналу процестерінің П.Ә.К-і жоғары болған сайын, температурасы соғұрлым төмен, өйткені (1) теңдеуіндегі TdА_m/dT мүшесі аз болса, температура да Т аз болады.

Гальваникалық элементтерде химиялық энергияның кішкене бөлігі ғана жылуға айналады. Химиялық энергияның негізгі бөлігі тікелей электр энергиясына өтеді де, жылулық машиналарда өтетін процестерден ерекшеленеді, мұндағы босатылатын химиялық энергия алдын-ала толығымен жылуға айналады.

Егер кинетикалық теория тілін қолдансақ, онда бұл ойды келесідей жеткізуге болады. Гальваникалық элементтердегі химиялық энергияны бастапқыда толығымен бей-берекет қозғалыс энергиясына айналдыруға болмайды, содан соң үлкен шығынмен бөлшектердің қозғалысын реттеп қана жұмысты алуға болады.

Электрлік энергия бағытталған энергия болып табылады, яғни басқа бөлшектердің реттелген қозғалысына себепті теориялық тұрғыдан шығынсыз жұмысқа айналатын реттелген электрондар немесе иондар қозғалысы.

Әрбір химиялық байланыс және әрбір химиялық айналулар атомдардың ішкі электрондарының қозғалысынан тәуелді болғандықтан, атом мен молекула әлемінде әрбір химилық құбылыс электрлік зарядталған бөлшектер күйінің өзгеруімен қатар жүреді. Қарапайым химиялық процестерде бұл өзгеру электрондардың бір атомнан екінші көрші атомға өтетінімен тұжырымдалады.

Атомдық масштабта өтетін мұндай өзгерістер химиялық байланыстардың туындауын немесе жылжуын білдіреді, олар электрлік феномен сияқты емес, химиялық айналулар ретінде көрінеді. Егер біз, мысалы, мыстың күкірт қышқылы ерітіндісіне серіппені жүктесек, онда ерітіндідегі мыс оның мырыштық бетін қызылдау түске бояй отырып, мырышта тұнады, ал мырыш иондар түрінде ерітіндіге өтеді. Практикалық түрде су ерітіндісіндегі мыстың күкірт қышқылы толығымен диссоциоцияланғандықтан, мұндай химиялық процесс келесі теңдеумен сипатталады:
Zn + Cu²⁺ +SO^2-₄→ Cu +Zn²⁺+SO^2-₄
Бұл реакцадағы сульфат-иондары өзгеріссіз қалғандықтан, теңдеуді мына түр де жазуға болады:
Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺+ Cu (2)

Бұл процесстің маңызы мырыштық стерженнің бетіне жуық жерде, жылулық қозғалыс нәтижесінде пайда болған ерітіндегі мыс иондары мырышқа жақын жатқан атомдарынан екі электрон алатындығында жатыр. Мырыш атомы ионға айналадыда, металл бетімен ерітіндіге өтеді, бұл уақытта мыс иондары суда ерімейтін, мырыштың ішкі бетінде тұнатын нейтрал атомға айналады.

Бұл процесс екі фазада өтеді:

1. 
   Мырыш атомдары электрондарын береді:
   

Zn → Zn²⁺+2е^-

2. 
   Мыс иондары электрондарды алады:
   

Cu²⁺+2е^- → Cu

мыстың күкірт қышқылы бар мырыштың өзара әсерлесу процессі
Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺+ Cu
а – мыстың күкірт қышқылына мырыш батырылған

б- осы процесс гальваникалық элеметте

Химиялық энергияның макраскопиялық қолданыстағы электрлік энергияға айналуын жүзеге асыруы үшін, электрондарды қабылдау және берілу процестерін кеңістікті бөлуі қажет.

Егер көрсетілген процестерден басқа ешқандай процестер жүрмесе, онда біраздан соң электронмен алмасу тоқтатылады, өйткені мырыштың бетіне жақын жерде оң зарядталған иондар Zn²⁺ жиналады. Осындай процесс мыс бетіне жуық жерде өтеді. Мұнда Сu²⁺ иондарын тұндыру нәтижесінде теріс зарядталған сульфат-иондары мыс электродының бетінде жиналады да, аз уақыт ішінде электрондардың тебілуі және мыс иондарды тарту нәтижесінде Сu²⁺ иондарының ары қарайғы тұнуы мүмкін болмай қалады.

Егер гальваникалық элемент әрекетсіз болса, онда мұндай күй шынымен туындайды. Полюстары сыммен қосылған жұмыс жасаушы элементтерде шарттар тіптен басқаша. Элементтің полюстарының арасындағы потенциалдар айырмасының нәтижесінде, сондай-ақ электролит ерітіндісінде барлық уақытта электр тогы ағып өтеді. Электролиттегі ток еркін орналасқан оң иондармен (катион Zn²⁺;Сu²⁺) бағыттас және теріс иондардың (анион SO₄^2-)-қарама-қарсы бағытқа ауысуымен түсіндіріледі. Осының арқасында атомдардың иондану процесі немесе иондардың разряды үздіксіз жүруі мүмкін. Күкірт қышқылы мыс ерітіндісінен күкірт қышқылы мырыш ерітіндісінен бөлінуі керек, себебі керісінше жағдайда күкірт қышқылы мыс мырышпен тікелей байланысып, - олардың арасында макроскопиялық токтың тоқтауына алып келетін электрондар алмасуы басталады. Мұндай бөлінулер электрлік оқшаулануды білдірмеуі қажет, себебі мұндай жағдайда электр тоғы жүрмейді. Сондықтан ерітіндінің екеуін де ерітінділердің араласып кетпеуі үшін кеуекті қабырғамен бөлу қажет. Даниэль элементі тікелей теориялық тұрғыдан толығымен, босатылатын химиялық энергияны элетр энергиясына айналдыратын аспапқа ұқсайды. Айта кететін бір жайт, бұл жерде химиялық энергияның жұмысқа айнала алатын бөлігі туралы сөз болып отыр. Қарастырылып отырған процесте 15°С температурада 56,1 ккал/моль-ге тең химиялық энергия босатылады. (1) теңдеуге сәйкес, 50,4 ккал электрлік энергиясына, ал 5,7 ккал барлық шарттарда жылуға айналады. Сонымен, гальваникалық элементтерде химиялық энергияны қолдану коэффициенті 90%-ке жетуі мүмкін. Олардағы процестер қайтымды болмаса да, бірақта бұл элементтердің кейбірі практикалық қолданыста энергия өндіретін басқа қондырғылармен салыстырғанда қайтымдылықтың үлкен дәрежесімен жұмыс жасайды.

Бұрынырақта да Даниэль элементі практикада электрлік энергия алу үшін қолданылды.

Қазіргі заманға сай қажеттіліктердің көзқарасына сәйкес үлкен мөлшерде электрлік энергиясын өндіру үшін жарамсыз, себебі бұл мақсаттар үшін ондағы қолданылатын материалдар (мыс пен мырыш) тым қымбат. Гальваникалық элементтер облысында зерттеулердің маңызы, арзан және жеткілікті мөлшердегі материалдарды қолданып осындай элементтерді жасау болып табылады, ол процестер қайтымды процестерге жуық жерде өтуі мүмкін.
Гальваникалық элементердің кейбір қасиеттері
Ең алдымен бір ғана металдан тұратын гальваникалық элементті принципиалды құруға болмайды.

Екі металдың байланысқан жерінде потенциалдар айырмасы туындайды, өйткені, металдар тікелей түйісе ме немесе олардың арасында басқа металдан жасалған пластиналардың кез келген мөлшері бар ма? Соған қарамастан оның шамасы өзгеріссіз қалады (Вольт ережесі). Мысалы, мыстық және мырыштық стерженнің байланысқан жерінде потенциалдар айырмасы(ε) пайда болады, бірақ ол электрлік токты тудыра алмайды. Егерде біз мыс сымның көмегімен көрсетілген мыстық стерженді мырыштық стерженмен қоссақ (63,а-сурет), онда ешқандайда электр тогы пайда болмайды, себебі мырыштық стерженді мыс сымының байланысқан жерінде потенциалдар айырымы, (-ε) қарама-қарсы таңбалы мыстық және мырыштық стержендердің байланысқан жеріндегідей шамада туындайтын еді. Сөйтіп, барлық жабық тізбектердегі потенциалдар айырмасының қосындысы 0-ге тең болады (ε-ε=0). Бірақ, егер мыс пен мырыш арасына тағы басқа металдарды қойған (Fe,Pb) жағдайда да ток ағып өтпейді. Мұнымен қоса, мырыш пен мыс арасындағы потенциалдар айырымы (63-сурет,б) еске алынған Вольт ережесіне сәйкес ε₁+ε₂ +ε₃= ε өзгермейді.

Гальваникалық элементті алу үшін ең болмағанда бір электролит қажет, яғни оң және теріс иондар көшкенде ток ағып өтетін зат қажет. Тек қана бір электролиттен тұратын гальваникалық элементтерді құруға болады. Бірақ, практикада қолданылатын барлық гальваникалық элементтер электролит пен металдан тұрады. Әрбір гальваникалық элементте екі металдың электроды (полюс) бар, олардың арасында потенциалдар айырымы (кернеу) туындайды.

63-сурет

Егер екі электродты да өткізгішпен қоссақ, онда ол жерде электрлік ток ағып өтеді. Гальваникалық элементтерде электрлік энергия көзі – электролит метал электродпен түйіскен жерлерде өтетін химиялық айналулар болып табылады.

Гальваникалық элементтің көмегімен алынатын жұмыстың мөлшерін қандай факторлар анықтайды? Егер гальваникалық элементтің полюстары жай сыммен жалғанған болса, онда химиялық процесте босатылатын барлық энергия толығымен жұмысқа өтеді. Егерде гальваникалық элементтердің полюстеріне тұрақты токтағы электр қозғалтқышын жалғасақ, онда барлық бұл жүйелер негізінен жұмысты өндіреді. Гальваникалық элементтерден тұратын жүйенің көмегімен электр моторын және сәйкес механикалық құралды, мысалы белгілі биіктікке жүкті көтеруге болады, сонымен элементпен өндірілген жұмыс жүк салмағынан тәуелді болады (64-сурет).

Салмақты көбейте отырып, бұл жұмысты да жоғарылатуға болады, бірақ белгілі бір шекке дейін. Жүк салмағының ары қарай көбейткенде процесс қарсы бағытта жүріп, жүк түсе бастайды. Осының әсерінен мотор қарама-қарсы жаққа айналып, ары қарай генератор ретінде әрекет етеді. Гальваникалық элемент арқылы ток қарсы бағытта ағып өтіп, ол бастапқыдағы қарама-қарсы химиялық процестің туындауына алып келеді. Мыс иондары мыс электродынан ерітіндіге өтеді:
Cu²⁺+2е^- → Cu
Бұл кезде мырыштық электродта мырыш иондары нейтралданады:
Zn → Zn²⁺+2е^-
Осы қатынастарды ескере отырып,
Cu + Zn²⁺→Cu²⁺+Zn
процестегі электр энергиясы химиялық энергияға айналады. Гальваникалық элементтер басқа кез-келген құралдар сияқты, әрекеті қайтымды термодинамикалық процеске негізделгенде максимал жұмысты өндіре алады.

Гальваникалық элементтердің тоқ көзі ретіндегі ерекшеліктері, олардың артықшылықтары мен кемшіліктері.

Практика қазіргі заманғы гальваникалық элементтерге әр түрлі талаптар қояды. Соңғы уақытта көбейіп кеткен және әр түрлі барлық сұраныс нәтижесінде барлық элементтердің ескі түрлерінің жетілдірілуі және жаңаларының өңделуіне бағытталған ғылыми зерттеулер қайтадан кеңейіп келеді. Гальваникалық элементтер электр энергиясының көздері ретінде бірталай артықшылықтары бар: олар әр түрлі мөлшерде және формада болуы мүмкін, бөлшектердің тозуына ұшыраған макроскопиялық бейімделуі жоқ, салыстырмалы жеңіл және автономды, дірілге және температураның тербелісіне сезімталдығы аз, тыныш жұмыс жасайды, жақсы реттеледі. Олардың ПӘК-і жоғары (90%-ға дейін), себебі химиялық энергияның электр энергиясына айналуы аралық жылулық кезеңсіз өтеді, ал кейбір жағдайларда электродты процестерге жақын және қайтымды болады.

Егер олардан қарсы бағыттағы ток жіберсе екіншілік элементтерді немесе аккумуляторды әлсіреуден кейін регенерациялауға болады, өйткені электродтарда өтетін ток регенерация процестерінің жақсы электрохимиялық қайтымдылығы бар. Біріншілік және екіншілік элементтер арасында принципиалды айырмашылық жоқ.

Гальваникалық элементтерге деген негізгі қажеттіліктер: үлкен қызмет ету уақыты, жоғары ток тығыздығы және клеммадағы кернеу болып табылады. Сондай-ақ, олар жоғары ПӘК-іне ие болуы қажет, арзан активті заттарды қолдануы керек, аз өлшем мен салмаққа ие болуы немесе қондырғы бойынша қарапайым, ұзақ болуы керек.
Гальваникалық элементтердің негізгі параметрлері.
Гальваникалық элементтердің негізгі параметрлерін қарастырайық. Электр қозғаушы күш – электрод пен ерітінді арасында тепе-теңдік болғанда және элемент арқылы ток өтпеген кездегі гальваникалық элементтің электродтарының арасындағы потенциалдар айырмасы. ЭҚК мәні элементтің мөлшерінен де, ішкі кедергісінен де тәуелді емес, ол тек электрод құрамының және электролит концентрацияның функциясы болып табылады. Клеммалардағы кернеу дегеніміз полюстер өзара кедергі арқылы қосылған кезде, процестегі ток өтуінің полюстерінің арасындағы потенциалдар айырымы болады.

Клеммалардағы кернеу ЭҚК-нен аз, сонымен қатар олардың элементінің ішкі кедергісімен салыстырғанда сыртқысы неғұрлым аз болса және поляризацияланған электродтарда неғұрлым аз болса, олардың арасындағы айырмашылықта соғұрлым аз болады.

Ішкі кедергілер - Оммен өрнектелген электродтардың және олардың арасындағы электролит ерітіндісінің кедергілері.

Элемент сыйымдылығы-сәйкес шарттарда элемент бере алатын, Кулонмен немесе Ампер-сағатпен өрнектелген электр энергия мөлшері. Аккумкляторларда разрядты сыйымдылықты зарядты сыйымдылықтан бөлу қажет. Әдетте, сыйымдылықты электрлік энергия арқылы өрнектеп, көптеген жағдайларда Ватт-сағатпен немесе Киловатт-сағатпен өлшейді.

Берілген типті элементтің сыйымдылығы неғұрлым көп болған сайын, химиялық энергияны электрлікке айналдыратын электрохимиялық активті заттардың мөлшері де соғұрлым көп болады, ондағы генерацияланатын ток тығыздығы аз болады.

Элемент қуаты - бұл 1 секундта алынатын, клеммадағы кернеуге тең, ток күшіне көбейтілген электр энергиясының мөлшері. Максимал ток күшін анықтау үшін осы қуатты клеммадағы кернеуге бөледі.

Гальваникалық элементтің негізгі кемшілігі өздігінен разрядталатын ішкі ток жоқ болған кезде онымен активті заттардың электрохимиялық шығындалуы болып табылады. Мұның себебі, мысалы локальді элемент деп аталатын металл электродтарының түзілу нәтижесінде еруі немесе «Тікелей химиялық» жолмен тоқты генерациялайтын процестің өтуі, элементтің диэлектриктік бөлшектерінің жеткіліксіз оқшаулау қабілеттілігі болады. Өздігінен разрядталу элементтің қызмет ету уақытын азайтады, соңғысы уақыт өте келе қажетсіз, тіпті егер ол энергияны алу үшін жалпы қолданылмаса да қажетсіз болып қалады.

Сутекті энергетика.
Қазір қарқынды талқыланып отырған, жаңа перспективалардың бірі-бұл сутекті энергетика. Автомобильдің қозғалтқыштары үшін бензин орнына сұйық сутегін қолдану ұсынылады. Сутегін электролидтік әдіспен суды айыру арқылы алуға болады (Сутектен басқа оттегі де алынады). Қозғалтқышта сутегін жаққан кезде ол атмосфералық ауаның оттегімен қосылып, қайтадан су пайда болады. Электр энергиясы өндірісінің түйіндері және оның берілуі мен түрленуінен басқа еш жерде ешқандай ортаның ластануы жүрмейді. Анығырақ қарастырулар көрсеткендей, ауада оттегін жаққан кезде азот тотығы туындайды. Ол арқылы ортаның ластануынан құтылу үшін, автомобильдерді бензинмен бірге оттегінде қолдану дұрыс болады. Сонда атмосфералық ауаға жетпейтін камерада жанғанда, шындығында да таза су пайда болады. Әрине, біреуін де сутегі, ал екіншісінде оттегі бар екі бакты автомобильдердің жарылыс қаупі жоғары болып табылады.

Сутегінің ерекше қасиеттері (жеңіл, үлкен жану жылуының болуы және т.б), оның экологиялық таза энергияны алуда қолданылуы қызығарлықтай перспективаларды ашады. Тек оның алынуының, сақталуның, эксплуатациясының қиыншылықтары сутекті энергетиканың дамуын кідіртеді. Соған қарамастан «сутектік мәселе» қазіргі уақытта бүкіл әлемде көптеген себептер бойынша мамандардың назарын аудартады: 1-ші-жерде сутегі көп, 2-ші-ол отын сияқты эффективті және экологиялық мінсіз, 3-ші-сутегі энергияның үлкен қорын аккумуляциялауға мүмкіндік береді, 4-ші-сутегінің жану орнына ауыстырылуы және электрді тасымалдауға қарағанда 10-15 есеге арзан энергия алу. Сутегінің энергия көзі ретнде аз-маз штабта қолданылуы басталды, мысалы автомобиль жасауда қолданылады. Бензинмен, сутегімен де және бензин сутекті қоспамен де жұмыс істейтін қозғалтқышпен қамтылған Раф және «Волга» алтомобильдері сынағына 10 жыл уақыт өтті. Әлемде бірінші, біздің елімізде сутекті отынмен жұмыс жасайтын ТУ-155 самолеті құрылды. Жүк көтергіштігі басқа типті самолеттерде ұшу ұзақтығы сутегінің жану жылуына негізделгендегіден 1,5-2 есе көп.

«Сутекті идеяны» жеңісі үшін сутегінің көп мөлшері қажет. Мұндай көп мөлшерлі сутегін алу мүмкіндігінің бірі-күннің, теңіз толқындарының, жел энергиясының есебінен электролиз процесі болып табылады. Бұл әдіс жердің қызуының алдын алуға көмектеседі, себебі сутегін жаққанда энергия бөлініп бәрібір жерге түседі, бірақ сутегін алу үшін шығындалады.

Оңай қол жететін арзан сутегімен оттегінің көп мөлшері жаңа эффективті технологиялық процестерді іздеуге және енуіне, сонымен бірге қоршаған ортаның жақсаруына және қайта қалпына келтірілуіне бағытталған шаралар себеп болады. Мысалы, ауадағы және су қоймасындағы оттегінің құрамын қажетті уақытта және локальді реттеуге болады.

1. Химиялық энергия дегеніміз не?

5. Сутекті энергетиканың қасиеттері қандай?

1. А.М. Магамедов «Нетрадиционные возобновляемые источники энергии». Махачкала Издательско-полиграфическое объединение «Юпитер», г. Махачкала1996. –б. 245.

2. В.А.Агеев «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» курс лекции.

3. Васильев Ю.С., Хрисанов Н.И. Экология использования возобновляющихся энергоисточников. – Л.: Изд-во Ленингр. ун-та. 1991. 343 с.

4. Ахмедов Р.Б. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. - М.: О-во «Знание», 1988.

Практикалық сабақтар
Желэнергетика. Желэнергетикалық қондарғылар қуаты
Қазіргі техникалық қамтылуымен желэнегетика энергетиканың толық жүргізілген бағыты болып табылады. Бірнеше киловаттан мегаватқа дейінгі қуаттылықты желэнергетикалық қондырғылар Еуропада, АҚШ-та, әлемнің басқа бөліктерінде шығарылады. Бұл қондырғылардың үлкен бөлігі бірыңғай нергожүйедегідей, автономды тәртіптерде де электрэнергиясын өндіру үшін қолданылады.

Желэнергетиканың негізгі артықшылықтары: құрылымдарының және оларды қолданудың қарапайымдылығы; шындығында таусылмайтын энергия көзінің қол жетімділігі. Кемшіліктеріне жататындар: ең алдымен жел күші мен бағытының тұрақсыздығы; ұзақ тұо\рулар мүмкіндігі және осыдан болатын желэнергетикалық қондырғыларды аккумулдеу және қорда ұстау қажеттігі: аймақта игеру мен дәстүрлі ландшавтардың өзгерісі.

(1.1) Ден көргеніміздей, қуат P жылдамдықтың кубы мен желдетілетін

ауданға F пропорционал. Қуат коэффициенті жел жылдамдығы мен желдөңгелегі құрылысына байланысты. Жел жылдамдығы тұрақсыз болғандықтан, ал қуат жылдамдыққа өте күшті тәуелді болғандықтан, желдөңгелектің оптималді құрылысын таңдау көбінесе энергияны тұтынушылар талаптарымен анықталады. Әдетте желдөңгелек ауданы бірлігінен алынатын орташа жылдық қуат орташа жылдамдық кубы мен ауа тығыздығына пропорционал. Желэнергетикалық қондырғының (ВЭУ) максималды жобалы қуаты желдің кейбір стандартты жылдамдығы үшін анықталады. Әдетте бұл жылдамдық шамамен 12 м/с-ке тең, бұл кезде ξмәні 0,3 ден 0,45 дейін болғанда 1 сыпырылатын ауданнан алынатын қуат – шамамен 300 Вт. Жайлы желді жағдайлармен аудандарда электрэнергияның орташажылдық өндірісі максималді жобалық мәнінен 22-30% құрады. Желгенераторлардың жұмыс мерзімі әдетте 15-20 жылдан аз емес, олардың құны 1 кВт жобалық қуаты үшін 1000 нан 1500 дейінгі АҚШ доллар тербеледі.

Жел қондырғыларынан жобалауда негізгі шарттардың бірі-желдің өте күшті кездейсоқ соғуынан бұзылудан олардың қорғалуын қамту.

Желдік жүктемулер жел жылдамдығы квадратына пропорционал, ал 50 жылда бір рет орташадан 510 есе асып түсетін жылдамдықты желдер болады, сондықтан қондырғыларды беріктіліктің өте үлкен қорымен жобалауға тура келеді. Сондай-ақ, жел жылдамдығы уақыт бойында өте тербеледі, бұл шаршаңқы бұзылуларға әкелуі мүмкін, ал лопасттер үшін ауспалы гравитациялық жүктеулер тән (қолданыстың 20 жылында шамамен циклдер) .

Желдің туындау себебі ауаның кеңеюі мен конветілік ағымдар пайда болуына әкелетін, күн сәулеленуін жер атмосферасымен жұту болып табылады. Жаһанды масштабта бұл термиялық құбылыстарға желдің бағыттары пайда болуына әкелетін, Жердің айналу әсері қосылады. Осы жалпы, немесе синоптикалық заңдылықтардан басқа, бұл үрдістердегінің көбі белгілі бір географиялық немесе экологиялық факторлармен байланысқан жергілікті ерекшеліктермен анықталады. Желдер жылдамдығы биіктікпен ұлғаяды, ал олардың көлденең құрушысы тіктен мәнді көп. Соңғы жағдай желдің шұғыл соғуы мен кейбір басқа аз масштабты әсерлер туындауының негізгі себебі болып табылады. Желдердің қосынды кинетикалық энергиясы шамамен Ом шамамен бағаланады. Үйкеліс салдарынан, негізінен атмосферада, сондай-ақ жер мен су бетерімен қатынас кезінде бұл энергия үздіксіз сейіледі, бұл кезде сейілетін қуат-шамамен Вт, бұл шамамен күн сәулеленуінің 1% жұтылған энергиясына тең.

Жергіліктің желэнергетикалық потенциалын талдау үшін желэнергетикалық кадастр құрылады, ол жел тәртібінің сандық сипаттамаларының аудандырылған жүйесі болып табылады. Желэнергетикалық кадастр – желді энергия көзі ретінде сипаттайтын, объективті нақтылы және қажет сандық мәліметтер байланысы. Көпжылдық бақылау материалдарын қолдана отырып, кадастр барлық сипаттамаларда әдетте кестелік немесе графикалық түрде береді. Желэнергетиканың көптеген қосымша тапсырмаларында жел қондырғы өндіре алатын, мысалы жылына, энергияның қосынды санын емес, тұрақты қамти алатын қуатын білу көбірек маңыздырақ. Қатты жел кезінде, 10 нан 12 м/с дейін, желқондырғылар жеткілікті электрэнергиясын өндіреді, оларды кейде тіпті жүйеге лақтыруға немесе қорда ұстауға тура келеді. Қиындықтар әлсіз жел немесе ұзақ тышу кезеңдерінде туындайды. Сондықтан желэнергетикасы үшін желқондырғы орнатуға 5 м/с-тен аз желдің орташа жылдамдығы бар аудандарды аз жарамды деп санау заңды болып табылады, ал 8 м/с жылдамдықпен бллса – өте жақсы. Бірақ бұған тәуелсіз барлық жағдайларда жергілікті метеожағдайларға қатысты желқондырғы параметрлерін мұқият таңдау қажет.

Желэнергетикалық потенциалға талдау жүргізу үшін алдын ала жыл бойында уақыттың тең аралықтарынан: 9 сағ; 12 сағ; 15 сағ: 18 сағ; және 21 сағ. Жел жылдамдығының күнделікті 5-реттік өлшемдерін жүргізу қажет.

Желэнергетикалық кадастрлар немесе метеоөлшемдер мәліметтерінің базасын қолдануға болады.

Өлшемдер нәтижелерін өңдеу тәртібі келесідей [6].

1. 
   Жел жылдамдығы өлшемдерінің нәтижелері интервалымен топқа бірігеді. Өлшемдердің жалпы саны N анықталады.
   
2. 
   Жылдамдық өлшемі биіктікте жүргізілуі мүмкін болғандықтан, ол энергетикалық потенциалды бағалауға жел жылдамдығы қажет болса, жел құбырлардың болжамды қондырғысы биіктігінде h, онда биіктікте h жел жылдамдығын анықтау белгілі аппроксимациялық тәуелділік көмегімен орындалады:
   

3. 
   Жел жылдамдығының мүмкінді таралу шамасы анықталады:
   
4. 
   
   

5. 
   Жел жылдамдығының орташа мәні , м/с анықталатын қатынас:
   

Мұнда - жалдамдықтың барлық өлшенген мәндерінің қосындысы.

6. 
   Кейбір берілген жылдамдықтан көбірек жылдамдықты жел пайда болуының мүмкінділігі анықталады, ол үшін болатын барлық жылдамдықты интервалдар мүмкіндіктері алынады.
   

мезгілінің бөлігі ретінде интерпреттелуі мүмкін.