2 №2 Дәріс. Табиғат және оның негізгі қасиеттері, жел энергия тасушы ретінде

Ауаның көлденең қозғалысын, жердің салыстырмалы өзінің сырғуынан және де барикалық тікмегзем күшінің әрекетінен, судағы және құрғақ жердегі үлкен ауданның температуралық тәртіптен айырмашылығын және жерден айналу күшінің ауытқуынан және де жердің бетіндегі ауа салмағының үйкелу күшін  «жел» деп атайды.

 Жел ұғымында м/с, км/сағ, «түйінде» және шатты бірліктерде (балл) берілетін желдің жылдамдығының сандық өлшемі, және желдің қайдан соғатыны ерекшеленеді. Бағытын белгілеу үшін  «румб» көрсетіледі немесе меридианмен бірдеңгей вектор құрайтын бұрыш, солтүстік 360 немесе  0, шығыс - 90, оңтүстік - 180, батыс - 270 алынады.  Румб - бұл жарық жағындағы салыстырмалы бағыт. Метеорологияда көкжиектің шеңберін 16 румбқа бөлу негізделген, 1 румб  22,5 сәйкес келеді. Басты бағыт деп солтүстік(С), оңтүстік(О), батыс(Б), шығыс(Ш) аталады. Қалған 12 румбтың атаулары басты румбтардың қиыстыруларымен анықталады, мысалы, солтүстік-шығыс (СШ), солтүстік-солтүстік-шығыс (ССШ), оңтүстік-оңтүстік-батыс (ООБ). Басты бағыттар деп солтүстік (С), оңтүстік (О), батыс (Б), шығыс (Ш) деп айтады.

Желдің жылдамдығы мен бағыты әрқашан жоғары немесе төмен дәрежеде үздіксіз тербеледі, сондықтан оларды бірнеше уақыт аралығындағы орташа мәнмен анықтайды. Ретсіздікпенн ерекшеленетін жел тәртібінде қатты тербелістің болуы екпінділік немесе дауылдылықпен белгіленеді.

Желдің екпінділігі  - ауа ағынында едәуір жылдамдықтың тербелісі және ондаған секундта уақытша аралықта бағытының болуы.

Дауылдылық - желдің қысқа тез уақыт аралығында әлсіреуі, сонымен оның бағытының өзгеруімен жүреді, ұзақтығы бірнеше  немесе ондаған минут.

 5 – 8 м/с жылдамдықтағы жел – орташа, 14  м/с –  қатты, 20 – 25 м/с жоғары - шторм,   30 – 35 м/с жоғары-дауыл деп саналады. 

 Екпіндерде және қатты дауылдарда да желдің жылдамдығы 50 м/с асуы мүмкін, ал кейбір ерекше жағдайларда 100  м/с жетуі мүмкін және одан да асады.Жер бетінде шағын аумақшада қысқа уақытта толық желсіздік- штиль орнығуы мүмкін.

Жер бетінің үлкен аудандарындағы жел ауқымды ауа ағысын тудырады, одан атмосфераның жалпы ауысып келуі болады. Шар тәрізді қалпына байланысты орай және экваторда жер бетінің меншікті жылулық жүктемесіндегі айырмашылық жылудың және су буының экватордан орайларға орналасуын анықтайды. Бұл солтүстік және оңтүстік жартышар атмосферасының ғаламдық ауысып келуін реттейді. Ауысып келулер тұрақты, орнықты жел жүйесінің орнығуын қамтамасыз етеді. Жердің айналу белі арқылы ауа салмағының ауытқуының әсерінен солтүстік- батыс және оңтүстік- шығыс.

Ауысыпкелудің одан әрі дамуы екі үлкен ауысыпкелудің құрылуымен  шығады- муссондар, пассаттар және тропикалық құйынғылар.

Муссондар- қарама-қарсы  бағытта өзгеретін орнықты желдер, жылына 2 рет ауысатын. Қыстық муссондар көбінесе құрғақтан мұхитқа бағытталған, жазғы- мұхиттан құрғаққа және мол шөгулермен ілеседі.

Пассаттар- тропикалық кеңдікте мұхит үстіндегі жыл бойы орнықты ауа ағысы. Солтүстік шартышарда  пассаттардың бағыты солтүстік-батысқа басым, оңтүстікте-оңтүстік-шығысқа. Пассаттардың үстінде оларға қарсы бағытта қарсы пассаттар соғады.

Құйынғылар- бірнеше мың км төмен қысымды өлшемді аймақтарда жел жүйесі арқылы пайда болады, сағат тіліне қарсы соғатын солтүстік жартышарда, сағат тілімен бағыттас оңтүстікте, құйынғыдағы желдің жылдамдығы 100 м/с –қа жетеді және одан да жоғары қарсы құйынғылар да  бар- жоғары қысым аймақтары, өлшемдері бірнеше мың км, жел жүйесі арқылы пайда болған, сағат тілімен бағыттас солтүстік жартышарда соғатын және қарсы оңтүстікте, әлсіз желдермен сипатталады.

Атмосфераның жалпы және жергілікті айналып келуінің болуына байланысты жел үнемі шамасы мен бағытын кеңістіктің кез-келген нүктесінде ауыстырады. Сонымен қатар қысқы жер бетінің  желі тәулік бойы өзгеретін ретсіздіктің әсерінің тәуліктік жүрісіне тәуелді. Бет үстіндегі желдің биіктігі көбіне үйкеліс күшінің тежеуіш әсерінің төмендеуінен жоғарылайды, сонымен қатар температураның тікмегземінің  болуы әсерінен болады.

Ауалық салмаққа жергілікті әсер ету кептіру жүйесінде туады, ішкі суаттар «жағалық желдердің -теңізі», «таулы- жазық желдері» деген атқа ие.

Таулы-жазық желдері  12 сағаттық оралымдықпен анықталады және жазық пен таулы массив арасындағы тікмегзем температурасы анықталады және жылдамдық 6 - 8 м/с-қа жетеді.

Бриздер - теңіз бен үлкен суаттар жағалауындағы тәуліктік оралымдығы бар желдер күндізгі бриз судан жылы жағажайға, түнгі суық жағажайдан суатқа соғады. Бриздер әдетте жағалық сызықтан екі жаққа да бірнеше ондаған километрлерге  және бірнеше метр биіктікке таралады, олардың жылдамдығы 10 - 12 м/с-қа жетеді.

Жергілікті табиғаттың ауа ағындарына әсеріне айқын мысал, жердің табиғи макро бедерінен

«аэродинамикалық құбырлар» пайда болған Қазақстандағы өзендермен үйлестірілген таулы жоталар және жазық кеңістіктер – Жоңғар қақпалары және Шелек шоғырлары, Боам үңгірі және Қырғыстандағы Ыстықкөл шұңқыры, Байкалдағы Барғұзы өткелі және басқалар .

Ауа салмақтарының  жылдамдығына күшті концендрлеуші әсер Жоңғар қақпаларында (Алматы облысы) байқалады.

Жоңғар қақпалары теңіз деңгейі бойынша 190-380 м биіктікте орналасқан, Қытайдағы таулы массивтер жүйесінен пайда болады, Қазақстандағы  Достық станциясында   20 – 25  бұрышпен  тең келеді. Қазақстан жағындағы Жоңғар қақпалары таулар өскіні арасында орналасқан,  35 – 40   бұрышқа таралған, Жалаңашкөл, Алакөл, ары қарай Балқаш өзендері жазықтығында.

Таулы жүйелер биіктігі 4000 м –ге жуық тарылғы және кеңітпе бөлшекті, тар ауызды өзіндік саптама түзейді. Жоңғар қақпаларының тар бөлігінің ені 10-16 км, энергияға қаныққан бөлігінің ұзындығы -60-70 км.  Қатты желдер Рыбачье қаласында  160-165 км жетеді. Қазақстандағы  Жоңғар қақпасының ауданы 1000 км². Құрайды. Қытай жақтан соғатын ауа ағыны «Евгей» желін тудырады, күз-қыс-көктем кезеңдерінде 45-70 м/с жетеді. Кері жел «Сайқан» Балқаш жағалауының жазық аудандарында  пайда болады, Жоңғар қақпалары арқылы 18 - 30 м/с жылдамдықпен өтеді. Жоңғар қақпаларының  тар бөлігіндегі желдің жылдамдығы  жазықтық бөлігінде 2,5-3,5 есеге артса ауа сғысының табиғи шоғырлағышы болып табылады.

 Аймақтардағы белсенділігі жоғары жел үлкен ауқымда  көмір, мұнай, газ кен орындарының энергиясына пара-пар энергияның кен орны болып табылады.

Төменгі атмосфера қабатындағы желдің жылдамдығы мен бағыты уақыт және биіктік бойынша қатты өзгергіш және көптеген әсерлрге тәуелді: төселім бетінің күйінен, оның термиялық орнықтылығынан, ірі қайшылықтардың болуы, атмосфераның жалпы айналыпкелулігі.

Жел энергиясының агрегаттарымен негізделген ауа ағысының қабаты 5-тен-150-200 м биіктікке ие және жоғары ретсіздікпен сипатталады.

Биіктік пен жылдамдықтың тез өсуі атмосфераның ең төмен бөлігінде жылдың барлық  мезгілінде байқалады. Төменгі жүз метрлік қабатта жылдамдықтың тікмегземі биіктік бойынша 100 м-ге сәуірде-шілдеде - 3,3-3,4 м/с, ал қыс айларында  7,3 - 8 м/с құрайды.

Тікелей жердің бетінде ағынның жылдамдығы 0-ге тең. Ауа ағынындағы тежеуді тегіс су беті атқарады.

Ағаш топтары немесе ағаш қатарлары желден қорғайтын орман сызықтары желді және жел үсті жақтарынан айналыпкелулік тудырады, 5-тен-10-15 ара қашықтықта орман алқаптарынан биік таралады.

Желдің кинетикалық энергиясын электр энергиясына түрлендірудің тиімділігі оның энергия тасушылық ерекшелігімен , сонымен қатар энегияны түрлендіргіштер- жел шығырлары және электр өндіргіштердің  қасиетімен анықталады.

Ауа ағынының қуаты 1м² аудан арқылы түсетін оның бағытына перпендикуляр орналасқан энергия ретінде ұсынылады. Дамытатын қуаттың шамасы ауаның тығыздығына , қоғалысының жылдамдығына тәуелді және мына өрнекпен анықталады.

                             , Вт/м²

мұнда - ауаның тығыздығы 1,29 кг/м³  0 ⁰C теңіз деңгейінде;

- желдің жылдамдығы, м/с².     

Желдің жылдамдығының өзгеру ауқымы 0-ден (тыныш күйі) 50-70м/с (құйын,дауыл) , оның  энергиясын ауқымды пайдаланылуын анықтайды.                          

Жел - ерекше энергия тасығыш: оның жылдамдығын өзгерткенде, мысалы, 20%-ға 5-6 м/с қуат 72,8%өға өзгереді, жылдамдықты 5 есе ұлғайтқанда  6-дан-30 м/с-қа оның меншікті қуаты 125 есе ұлғаяды.

Желдің жылдамдығы шама бойынша үздіксіз өзгереді, соған байланысты «орташатез» жылдамдық ұғымы пайдаланылады, оған белгілі уақыт аралыындағы орташа мән кіреді.  Желдің  30м/с орташа сағаттық жылдамдығында оны 2 көршілес сағатқа ауыстырғанда 9,8-ден- 32,4 м/с аралығында болды.

Желдің жылдамдығының көрсеткіштеріне көрсеткіштер қатары кіреді- екпінділік, дауылдылық және  дауылдағы максимал жылдамдық.

Желдің  екпінділігі - ауа ағысында едәуір жылдамдықтың тербелісі және ондаған секундта уақытша аралықта бағытының болуы. Екпін амплитудасы орташа жылдамдықты 2 есеге асыратын мәнге жетеді.  Екпінде жылдамдықтың өсу уақыты оның төмендеу уақытына шамамен тең болады, жылдамдықтың өзгеруінің максимал мәні оның амплитудасынан 2 есеге асады.

Дауылдылық - желдің қысқа уақыт аралығында тез күшеюі және әлсіреуі, сонымен оның бағытының өзгеруімен жүреді, ұзақтығы бірнеше немесе ондаған  минут.

Екпіндерде   және қатты дауылдарда    желдің жылдамдығы 50 м/с асуы мүмкін, ал кейбір ерекше жағдайларда 100 м/с жетуі мүмкін және одан да асады. Мұны жел қозғалтқышын, редуктор және электр өндіргішті өңдегенде және жасағанда ескерілуге тиіс.

Желдің жылдамдығын өзгерткенде жел дөңгелектерінің максимал қуатыналу үшін  м/с² өлшемде қондырғының қалақтарының тиісті бұрышын өзгерту керек.

Электр энергиясын жүзеге асыру үшін желдің бағыты ауа ағынының ең қиын көрсеткіші болып табылады. Өйткені,  жел қозғалтқышы мен жел энергиясын толық өндіру желді өндіру бетінің жазықтығы дәстүрлі пропеллерлі жел дөңгелегі - жел бағытына перпендикуляр болғанда ғана жүзеге асады.

Желдің бағыты әр түрлі флюгермен өлшенеді және «жел раушаны»түрінде сипатталады, бақылаудың мерзімі бойынша барлық бақылаулар қосылады.

Метеорологиялық бюллетенде желдің бағыты келесі дәрежеде сипатталады, «желдің батыс бағыты , желдің солтүстік бағыты, оңтүстік-шығыс желі, оңтүстік шығыс желі батысқа ауысқан» және т.б., сонымен уақыттың 8 румбы бойынша %-да бағыттың қайталануы тіркеледі. Жылдық  желдің раушаны   1- суретте көрсетілген.

Пропеллерлі жел агрегаттары үшін желдің бағытының ауысу жиілігі, бағыттың өзгерту жылдамдығы, желдің бір бағытта болуының ұзақтық кез жел дөңгелегінің айналу жазықтығы уақыттың әр моментінде желдің бағытына перпендикуляр болғандықтан аса ерекше көрсеткіштер болып табылады. Бұл қалақтардың тарту күшін және жел агрегатының қуатын, энергия өндіруін анықтайды.

 

1 Сурет-Желдің  раушаны

 

Ағынның пропеллерлі қондырғылардың жел дөңгелектерінің айналу жазықтығы мен кезігу бұрышы  90º -қа ауытқығанда олардың қуаты 0-ге дейін түседі.

Қондырғының жел дөңгелектері сәйкес бұрышының әсері  «желге» өрнекке жел дөңгелектерінің қуатын анықтайтын көрсеткішті  «бағытты пайдалану еселеуіші» (БПЕ) - , енгізумен есепке алынуы мүмкін,  1-ден- о-ге дейін өзгереді,  υ- жел дөңгелегінің айналу жазықтығы мен жүруші ауа ағыны векторының жылдамдығы, сонымен «бағытты пайдалану еселеуіші» z, арасындағы бұрыш, º/С  өлшеумен уақыт бойынша жел бағытының өзгерісін сипаттайды.

 кВт

мұнда  F – желдің қабылдау бетінің ауданы.

ЖЭС қондырғы үшін «желге», желдің бағытын бақылайтын тез әсер ететін жүйе құру жәнежел агрегаттарының құрылғылары әр түрлі қондырғылармен жел дөңгелектерінің желге дағдары.

Желдің жылдамдығын өзгерткенде жел дөңгелегінің айналу жиілігі де өзгереді, онымен байланысты электр өндіргіштің айналғысы да өзгереді, нәтижесінде өзгерткіштің ЭҚК және өндіруші тоқтың жиілігінің өзгеруіне әкеледі.Тұрақты айналу жиілігі қондырғының барлық қалақтарының бұрышын реттеумен жүзеге асады. Жел дөңгелегі шеңбері шегінде жылдамдықты өзгерткенде қалақтардың  қиын профилденуі ескеріледі, оларды жеке бөлшектерге бөлу және әр бөлшекті жеке басқару керек. Мұның барлығы жел агрегатының құрылысын қиындатады және тек күшті қондырғыларда ғана қолданылады.

Ауа, әсіресе жел, су буын бұлт түрінде ауа райына байланысты, су тамшыларын, боран және күннің бөлшектерін, тұздар және топырақ - тұзды және құмды дауылды құрайды.

Осы қоспалардың болуы, ауа ағысының жалпы көрінісін және желдің жылдамдық сипатын өзгертпейді, бірақ оның энергетикалық көрсеткіштеріне әсерін тигізеді.

 Айнымалы газдар – су буы, көміртек оксиді, озон және басқа да газдар Қалыпты жағдайда ауаның тығыздығы 1,2928 кг/м³, ауа райының өзгеруіне байланысты өзгеруі мүмкін. Ауада атмосфералық қысымда болатын су буының максимал мөлшері температурадан тәуелді : температура жоғары болған сайын, су буының құрамында көп болғанда қанығу болады. Бұл 1-ші кестеде көрсетілген мәліметтер арқылы көрінеді.

Атмосфералық қысымдағы ауада болатын су буының максималды саны температураға байланысты: температура жоғарылаған сайын, су буының G құрамы көбейіп қанығады. Ол 1 кестеде көрсетілген берілгендерде көрінеді.

 1Кесте

Т,С	-20	-10	0	10	20	30
G, г/м3	1,1	2,4	4,7	9,4	17,3	30,4

Осымен байланысты механикалық энергияның айналуын тек көтеретін күшке емес және де желдің динамикалық арынына сәйкес жылдамдықпен және тығыздықпен  қабылдайтын және пайдалы түрлендіретін жел агрегаттарын құру керек.

Бұл, қабылдау қабілеті және кез келген күштегі  және бағыттағы жел энергиясын электр энергиясына нәтижелі айналдыратын тік белді айналу агрегаттарын құрудың маңыздылығын айқындады.

Жел энергиясын нәтижелі және үнемді пайдалануды үйрену керек.