Сабақ конспектілері №1 дәріс конспектісі Дәріс тақырыбы:

Дәріс тақырыбы: “Электр энергиясының дәстүрлі емес көздері”

Энергияны тұтынудың қсуі адамзат алдына оны алудың жаңа тәсілдерін іздестіру мәселелерін қояды. Қазіргі кезде әртүрлі энергия түрлерін электр энергиясына түрлендірудің дәстүрге айналған тәсілдерімен шектеліп қалуға болмайды. Өйткені органикалық отын қоры шектеулі және оларды жағу кезінде отын ысырып болуда. Қазіргі кездегі ЖЭС-тің ПӘК-і 60 %-дан аспайды. Яғни алынатын жылудың 40%-ы басқа жұмсалып, қоршаған ортаға зиянды әсер етіп жатыр. Оның үстіне отынды жаққан кездегі электр станциясының қалдықтары атмосфераны, топырақ пен су қоймаларын ластайды. ЖЭС-ке арналған ресурстар шектеулі және әлем мемлекеттері бойынша әркелкі таралған.

Биосфераның ластануына байланысты соңғы кезде “таза” электр станцияларына қызығушылық орта түсуде. Болашақта адамзат энергияның сапалы басқа көздерін игереді және қазіргі энергия көздері тарихқа айналып қолданыстан шығады.

Осы түрғыдан алып қарағанда жылу, күн, химиялық және т.б. энергияларды электр энергиясына тікелей түрлендіру тәсілдерінің болашағы зор. Мұндай тәсілдер бұрын ашылған физикалық құбылыстардан белгілі. Оларды іс жүзінде қолдану ғылым мен техниканың дамуы, сынақтың материалдардың жинақталуы, жаңа технологиялардың қолданылуына байланысты жетілдіріліп келеді. Қазіргі кезде олар қуаты аз автономды энергия көздері ретінде қолданылып жүр. Бұл кезде жұмыс сенімділігі, ықшамдылық, күтім ыңғайлылығы, салмағының аздығы т.б. көрсеткіштер басты артықшылықтар болып саналады. Мәселен, жердің адам аяғы жетуі қиын аймақтарында ақпарат жинау, ғарышта, ғарыштық аппараттарда, ұшақтар мен кемелерде мұндай энергия көздері қолданылып келеді. Электр энергиясының автономды көздерінің қазіргі кездегі жалпы белгіленген қуаты барлық электр станцияларының жалпы қуатынан асып түседі.

МГД – генераторларды жасаудың басты қиындығы – 2500 – 2800⁰С температураларды агрессивті орталарда жұмыс істей алатын материалдардың қажетті беріктілігін алу болып табылады.

Жылу энергиясын электр энергиясына тікелей түрлендіретін құрылғылар ішінде термоэлектрлік генераторлар (ТЭГ) ең көп қолданылады. ТЭГ-тің негізгі артықшылықтарына мыналар жатады: жылжымалы бөліктердің жоқтығы; үлкен қысымды қолдану қажет емес; кез-келген жылу көзін қолдануға болады; өте үлкен жұмыс ресурсы бар. ТЭГ-тер ғарыштық нысандарда, ракеталарда, су асты қайықтарында т.б. қондырғыларда энергия көзі ретінде қолданылады.

Термоэлементтің жұмыс істеу қағидасы 1921 жылы ашылған 3есбек құбылысына эффект негізделген. Оның мәні әртекті материалдардан тұратын тұйық тізбекте материалдар түйіспелерінің әртүрлі температуралары кезінде ток жүруіне негізделген. Бұл құбылыс әртүрлі өткізгіштердегі еркін электрондардың орташа энергиясы әркелкі болатындығымен және олардың шамасы температура жоғарылаған сайын іркелкі жоғарылайтындығымен түсіндіріледі. Егер өткізгішті бойлай температура түсуі болса, онда ыстық спайдан суық спайға қарай электрондар ағыны пайда болады. Осының нәтижесінде суық спайға теріс зарядтар, ал ыстық спайда оң зарядтар жинақталады. Бұл ағын электрондар концентрациясы үлкен өткізгіштерде қарқынды болады. Электрондар концентрациясы әртүрлі екі өткізгіштен тұратын тұйық тізбекте спайлардың әртүрлі температурасы сақталып тұрғанда электр тоғы пайда болады. Егер тізбек ажыратылған болса, онда оның суық ұшындағы электрондардың жинақталуы оның теріс потенциалын суық ұшқа қарай қозғалған электрондар мен одан кетіп жатқан электрондар арасында тепе-теңдік орнағанға дейін жүреді. Бұл жинақталу пайда болған потенциалдар айырмасы әсерінен жүреді. Материалдардың электр өткізгіштігі аз болған сайын электродардың кері ток жылдамдығы азая береді және ЭҚК-і көбейеді. Сондықтан жартылай өткізгішті элементтер металдарға қарағанда тиімдірек болады.

Ядролардың табиғи радиоактивті бөлінуі бөлшектер мен - кванттардың кинетикалық энергиясының бөлінуімен бірге жүреді. Бұл энергия радиоактивті изотопты қоршаған ортаға жұтылады және жылуға айналады. Осы жылуды термоэлектрлік тәсілмен электр энергиясын алу үшін пайдалануға болады. Осы қағидамен жұмыс істейтін қондырғылар радиоизотопты генераторлар деп атайды. Олардың жұмысы сенімді, жұмыс істеу мерзімі ұзақ (3 айдан 10 жылға дейін), көлемі кіші.

Ғарыштықжәне жердегі әртүрлі құрылғыларда автономды энергия көзі ретінде қолданылады. Бірақ қазіргі кезде олардың ПӘК-і 3-5%-дан аспай отыр. Жақын болашақта қуаты 10кВт-тық генераторлар жасау көзделген.

20-сурет. Термоэмиссиялы түрлендіргіш схемасы.

1-катод;2-анод.

Энергетикалық термоэмиссиялық генераторларда катодты қыздыру үшін ядролық реакция нәтижесінде алынатын жылуды қолдануға болды. Оның ПЭК-і 40%-ға дейін жетеді. Радиактивті бөліну кезінде электрондар (- сәулелер) элементтердің табиғи қасиеттері әсрінен шығады. Осы қасиетті пайдалана отырып, ядролық энергияны электр энергиясына тікелей түрлендіруге болады.

Ал, электрохимиялық генераторларда химиялық энергия тікелей электр энергиясына түрлендіріледі. Гальваникалық элементтерде ЭҚК-і пайда болуы металдардың өз иондарын ерітіндіге жібере алу қасиетіне негізделген. Металл иондары мен ерітінді иондары арасындағы молекулалық өзара әсерлесу нәтижесінде ЭҚК-і пайда болады. Осы қағидаға негізделіп әртүрлі гальваникалық элементтер, аккумуляторлар жасалған.

Бірақ бұлардың энергетикада қолдану аясы тым сирек. Себебі, көп көлемде электр энергиясын үздіксіз беріп шыдамайтын, активтң химиялық жану сұйығының қоры тым аз. Сонымен бірге, аккумуляторлардың меншікті қуаты да азғантай.

Отындық элементтерде іске асырылатын, органикалық отынның химиялық энергиясын электрлік энергияға түрлендіруге арналған қондырғыларда үлкен келешек перспектива бар. Мысалы, көмірдің химиялық энергиясын электрлікке түрлендірудегі электрохимиялық процестің ПӘК: 99,75% - ға дейін жетуі мүмкін. ПӘК 60-80% жететін сутегі – оттегілік отын элементтерін құруға байланысты айтарлықтай перспективалар бар. Отынның элементтер шусыз, тиімді және олардан атмосфераны зияндаушы қалдық қалмайды.

Геотериальдық электр станциялары энергия көзі ретінде жер қойнауының жылуын пайдаланады. Жердің түбіне қарай әрбір 30-40м тереңдеген сайын, температура 1⁰С-ға ұлғаяды; 3-4км тереңдікте су қайнайды, ал тереңдік 10-15км болғанда жер температурасы 1000-1200⁰С-ға жетеді. Планетамыздың кейбір бөлігінде жер бетіне жақын тереңдікте де температура айтарлықтай жоғары. Бұл аудандар геотермальдық станцияларды салуға өте қолайлы. Мысалы, Жаңа Зеландияда өндірілетін барлық электр энергиясының 40% осы станцияларда өндіріледі.

1 - ұңғыма; 2 – бу құраушы; 3 – турбина; 4- конденсатор; 5 – сорап; 6 – судағы жылу алмасушы.

Күн – біздің планетамыздағы тіршілік көзі және мұндағы алынатын энергияның барлық түрінің негізгі көзі. Қазіргі кезде күн сәулесі радиациясының энергиясын электрлікке айналдыруға арналған, күн сәулесінің элементтерін жасауға көп назар аударуда. Энергияның түрленуіне фотоэффект құбылысы қолданылады, яғни жарық күшінің әсерімен денеден электрондарды бөлдіріп шығару құбылысы қолданылады. Фотоэффект құбылысы 1887 жылы Герц ашқан. Электр энергиясын алу үшін фотоэффектінің практикада қолданысы жартылай өткізгіштердің кең таралуына байланысты іске асырылды. Электрондардың (П-типті) және кемтіктік (Р-типті) өткізгіштігі бар жартылай өткізгіштердің жанасу шекарасында электрондар диффузиясының нәтижесінде потенциалдардың түйіспелік айырымы пайда болады. Егер кемтіктік өткізгіштігі бар жартылай өткізгішке жарық шашылса, онда оның электродары жарық квантын сіңіріп, электрондық өткізгіштігі бар жартыдай өткізгішке көшеді. Бұл жағдайда, тізбек тұйықталған болса, электр тоғы жүреді. Қазіргі кезде кремнийден жасалынған фотоэлементтер ең жетілдірілген, олар тіке бағытталған да, тарлған да күн сәулелері ісер етеді. Олар қыасқа да, жазға да бірдей істей берді. Қыста жарық ағынының азаюы температураның төмендеуі нәтижесінде 15%- ға дейін ПӘК-тің өсуімен қарымталанады. Болашақта жасалу технологиясын жеңілдету және оның бағасын төмендету арқылы фотоэлектрлік генераторлардың көптен таралуын күтуге болады.

Күн сәулесінің энергиясын органикалық заттардың табиғи фотосинтезі тәріздес жүрілетін фотоэлектрлік процестерге қолдануға болады. Мұндай процестердің практика жүзінде меңгерілуі, адамзатқа экологиялық таза, ұлан-байтақ энергияны алуға мүмкіндік берер еді.

Жерге түсетін күн радиясының 2%-ы жел энергиясына айналады. Жел – энергиының өте үлкен қайтымды көзі. Ең бір туатын қиыншылық – ол жел энергиысының өте кең тарамдалуы және оның тұрақсыздығы. Оны қолданудың екі негізгі бағыты бар: азғантай шамалы қондырғылар – суды көтеру мен тартуға, электрлік аккумуляторларды зарядтауға және т.б. арналған қуаты 15 кВт дейінгі қондырғылар; электр энергиясын өндіруге арналған қуатты жел қозғалтқыштарын құру және жасау. Қазақстанда жел электр станциясының ғимаратын салуға ең перспективті ауданға “Жоңғар қақпасы” деп аталатын жерді жатқызады. Онда жел жылына 300 күннен көп, жылдамдығы 14 м/с-тан соғып тұрады. Жел станциясының қуаты үшінші дәрежесі ауа ағындарының жылдамдығына пропорционал. Мысалы, егер станция доңғалағының диаметрі 50 метр, жел ағыныныңжылдамдығы аздау – 8м/с жылдамдықпен айналса, онда станция қуаты шамамен 1мВт болар еді. Ал, жылдамдық екі есеге азайса, онда қуат 120кВт-қа тіпті одан да төменге азаяр еді. Яғни, станция жұмысын тоқтатады. Сондықтан жел қозғалтқаштарының жұмысын энергияны аккумуляциялау қондырғыларымен қатарластырса отырып бұл проблеманы шешуге болады. Сонда да, жел электр станциялары – жел энергиясының қоры жеткілікті алыстағы аудандарды автономды түрде энергиямен жабдықтау қондырғысына арналған энергияның арзан, экологиялық таза және перспективалы түрі болып саналады.

Қорыта келсек, элетр энергиясының дәстүрлі емес көздері – энергия көзі сарқылмас, және “таза” болғандықтан болашақта кең қолданықа кіреді.
Негізгі әдебиет 1[109-136]

Қосымша әдебиет 2[74-76], 5[132-156]

Бақылау сұрақтары:

1.Электр энергиясын дәстүрлі түрде емес алудың қажеттілігі қанша?

2.МГД – генератордағы энергияны түрлендірудің принципі түсіндіріңіз.

3.Термоэлектрлік эффектіні түсіндіріңіз.

4.Термоэлектрондық эмиссияның принципін түсіндіріңіз.

5. Геотермальдық электр станцияның артықшылығы.

6. Күн сәулесі электр станцияның артықшылығы.

7. Жел электр станцияның артықшылығы.

Электрэнергетикалық жүйе дегеніміз (ЭЭЖ)-электр энергиясын өндіру, түрлендіру, тасымалдау, тарату және тұтынуға арналған өзара байланысқан элементтер жиынтығы. ЭЭЖ элементтеріне мыналар жатады: механикалық энергияны электр энергиясына түрлендіретін генераторлар; кернеулер мен токтардың шамаларын түрлендіретін трансформаторлар; электр энергиясын алыс қашықтыққа тасымалдауға арналған электр байланыс линиялары; жүйе қасиеттерін өзгертетін әртүрлі көмекші жабдықтар және басқару және реттеу құрылғылары.

Жүйе режимі яғни, оның белгілі бір уақыт моментіндегі жағдайы оның қызмет ету процесін анықтайтын параметрлер мен сипатталады. Бұл параметрлерге мыналар жатады. Қуат, кернеу, ток, жиілік т.б. Режимдер тұрақтанған және өтпелі режимдерге бөлінеді. Тұрақтанған режим параметрлері белгілі бір уақыт аралығында өзгеріссіз немесе салыстырмалы түрде баяу өзгереді. Ал, өтпелі режим жүйенің бір тұрақтанған режимнен екіншісіне ауысу кезеңіне сәйкес келеді. Бұл кезде оның параметрлері баяу және аз немесе жылдам өзгеріп отырады. ЭЭЖ қалыпты жұмыс істеу үшін тұтынушылар өздеріне сәйкес сипаттамаларымен жұмыс істеу үшін режим параметрлері белгілі бір мәндерге сәйкес болуы қажет. Осы кезде тұтынушыға берілетін электр энергиясының қажетті сапасы қамтамасыз етіледі. Сапа мынадай шамалармен сипатталады: кернеу, жиілік, үш фазалы токтар үшін симметриялық және синусоидалық.

Электр жүйесінің құрамына кіретін элементтердің физикалық қасиеттері және олар арасындағы өзара қатынас электр жүйесінің параметрлерімен сипатталады. Оларға мыналар жатады: элементтердің кедергілері, инерция моменттері, электрлік және механикалық шамалардың өзгеру жылдамдығын сипатттайтын уақыт тұрақтылары.

ЭЭЖ элементтері онда болып жатқан процестердің біртұтастығымен байланысқан. Мәселен, электр желісіндегі қарсыласулар жасаған электромагнитттік процестер турбиналардың жұмыс режиміне әсер етеді. Осы процестер электр қозғалтқыштарының жұмыс режиміне және оларға жалғанған өндірістік механизмдерге де әсер етеді. Турбиналардың жұмыс режимінің өзгерісі бу тасымалдағыш құбырлардағы бу параметрлеріне және бу генераторларының жұмысына өзгерістер енгізеді.

ЖЭС-тегі көмір, газ немесе басқа да органикалық отынның шығыны немесе ГЭС-тегі су шығыны жүйедегі электр энергиясын тұтынуға тәуелді болады.

Электр энергиясын бөліп таратуға арналған ЭЭЖ –нің бір бөлігі электрлік торап деп аталады. Оған электр байланыс линиялары және бөліп тарату құрылғылары кіреді.

Подстанцияларда электр энергиясын түрлендіру, ал, кейде бөліп тарату жүзеге асырылады. Электр энергиясын түрлендіру дегенде трансформаторлардағы кернеу мен ток шамасын өзгерту түсіндіріледі. Электр тораптары мынадай белгілері бойынша бөлінеді:

• 
  торап кернеуі бойынша: төменгі вольтты (1 кВ-ға дейін); жоғарғы вольтты (1 кВ-дан жоғары);
  
• 
  ток түрі бойынша: тұрақты ток және айнымалы ток;
  
• 
  қолданылу мақсаты бойынша: аудандық тораптар, олар ірі электр станцияларымен подстанцияларды байланыстырады және 35 кВ және одан жоғары кернеулерге арналған. Кернеулері 330, 500, 750 және 1150 кВ болатын тораптар жүйеаралық байланыстарға жатады, өйткені, олар ірі ЭЭЖ-ларды байланыстырады. Бөліп таратушы тораптар жеке тұтынушылар, кәсіпорындар, ауылшаруашылық тұтынушылары арасында электр энергиясын таратуға арналған.
  
• 
  Құрылымдық орындалуы бойынша: ауалық және кабельдік электр байланыс линиялары.
  

Электр байланыс линияларын құру қажеттігі негізінен энергияның ірі электр станцияларында жинақталуына байланысты. Ал тұтынушылар өте үлкен территорияда шашыраңқы орналасқан.

Электр энергиясын алысқа берудің мынадай артықшылықтары бар:

• 
  алыстағы энергия көзін пайдалану;
  
• 
  генераторлардың суммалық, резервтік қуатын азайту;
  
• 
  әртүрлі географиялық ендіктердегі уақыт өзгерістерін ұтымды пайдалану;
  
• 
  ГЭС қуатын толығырақ пайдалану;
  
• 
  Тұтынушыларды электрмен қамдау сенімділігін арттыру.
  

Бұл кезде барлық шектеуші факторлар ескеріледі.

Шектік қуаттарды одан әрі көбейту мүмкіндігі электр байланыс линияларының кернеулерін көбейту және құрылымын өзгертуді талап етеді. Бұлар жалпы техникалық даму мен оның ішінде жартылай өткізгіштік техникадағы табыстармен электр энергиясын берудің жаңа түрлерін жасаумен тығыз байланысты.

Электр энергиясын алысқа беру проблемасын қарастырғанда қазіргі кезде екі негізгі тенденция байқалатынын ескеру қажет:

1. 
   жақын маңда арзан энергия көзі болмағанда электр станцияларды тұтынушыларға жақындату;
   
2. 
   электр станцияларын арзан энергия көздеріне жақын жерге салу және энергияны тұтыну орталықтарына жеткізу.
   

Жеке энергия жүйелері біріктіріліп, ірі энергетикалық жүйелер құрайды.

Энергия жүйелерді біріктіру көптеген елдерде қолданылып келеді, олардың мынадай артықшылықтары бар:

1. 
   Электр станцияларының суммалық белгіленген қуаты азаяды.
   
2. 
   Гидроэнергетикалық ресурстар толығырақ пайдаланылады.
   
3. 
   Электр энергиясын жасау тиімділігі жоғарылайды.
   
4. 
   Агрегаттардың жеке қуаттары көбейеді.
   
5. 
   Тұтынушыларды электрмен қамдау сенімділігі жоғарылайды.
   
6. 
   Электр энергиясының сапасы жоғарылайды.
   

ЭЭЖ режимдерін басқару ең тиімді техникалық-экономикалық эффект беретін жағдайларға сәйкестендірілуі шарт.

ЭЭЖ үлкен кибернетикалық типтегі жүйелер категориясына жатады. Оларды басқару кезінде энергетиканың басқа да экономикалық салаларымен, әлеуметтік факторлармен және биосферамен өзара қатынасы ескерілуі керек.

Негізгі әдебиет:1[70-74,77-81]

Қосымша әдебиет: 1[73-75], 4[187-188]

Бақылау сұрақтары:

1. 
   Электрэнергетикалық жүйе анықтамасы.
   
2. 
   Жүйе режимдері және оның негізгі параметрлері.
   
3. 
   ЭЭЖ-нің негізгі элементтері.
   
4. 
   Электрлік тораптардың топталуы.
   
5. 
   Энергия жүйелерді біріктіру не береді?