5.Сур. Карусель типті жел двигателі.
Жел дөңгелегі мен жел каруселін қолданатын жел двигательдері (карусель типті двигатель, сур.қар.) жер құралдарына қойылады. 1714 жылдың өзінде француз Дю Квит суда орын ауыстыру қозғалтқышы ретінде жел двигателін қолдануды ұсынды. Треногта орналасқан бескүрекшелі жел дөңгелегі гребтік дөңгелекті қозғалтқышка келтіруі керек. Бұл идея сол күйі қағаз бетінде қалып қойды, алайда произвольді бағыттағы жел судноны кез келген бағытта қозғалта алатыны түсінікті еді.
20 ғасыр басында винттер мен жел дөңгелектеріне қызығушылық желді тек мүмкін болатын жерде қолданудан да арта түсті. Алғашқы кезде жел құралдарының көбі ауыл шаруашылығында қолданылды. Ресейде өткен ғасыр басында жалпы қуаттылығы 2500 мың желдеткіш орнатылды. 1917 жылдан кейін диірмендер иесіз қалып, уақыт өткен сайын бұзыла бастады. Енді жел энергиясын ғылыми және мемлекеттік негізде қолдануға шаралар қолданды. 1931 жылы Ялта маңында сол уақыттағы қуаттылығы 100кВт желэнергетикалық құрал, кейінірек 5000 кВт-қа агрегат проектісі жасалды. Бірақ оны іске асыру мүмкін болмады, өйткені осы проблемамен айналысқан желэнергетикасы институы жабылған болатын.
Бұл жағдай жергіліктілердің мәселесі болмады, өйткені дүниежүзілік тенденция осындай болған еді. АҚШ-та 1940 жылы қуаттылығы 1250 кВт желагрегат тұрғызылды. Соғыс аяғында оның бір күрекшесі зақым алды, бұған тіпті экономист есептегштер де көңіл бөлмеді, ол әдеттегі дизельді электростанциядан тиімді еді. Бұл құралды ары қарай зерттеу тоқтатылды, ал оның жасаушысы мен иесі П.Путнэм өзінің қайғылы тәжірбиесін осы күнге дейін актуалділігін жоғалтпаған «Энергия ветра» деген құнды кітапта қалдырған. Жел энергиясын ірі масштабты энергетикада қолданудағы сәтсіз болған тәжірбиелер қырқыншы жылдарда кездейсоқ болған жоқ. Мұнай салыстырмалы түрде арзан болып қалды, ірі жылу электр станцияларына капитальді кіріс бірден түсіп кетті, төмен баға мен экологиялық тазалықты кепілдік еткен гидроэнергиясын қолдану . жел энергияларының кемшілігі уақыт бойынша өзгеруі болып табылады, бірақ оны желагрегаттардың орналасу есебінен реттеуге болады. Егер толық автономия шартында ондаған ірі жел агрегаттарды біріктірсе, олардың орташа қуаттылығы тұрақты болады. Басқа энергия көздерінің болуынан желгенераторлар оларды толықтай түседі. Және соңғысы желдвигательден үздіксіз механикалық энергия аламыз. ЖЕЛ, глобальді желдер.
Глобальді желдерге пассат пен шығыс желдер жатады.
Пасаттар жердің экваторлы бөлігінің қызуынан пайда болады. Солтүстік пен оңтүстік ауа массаларын қамтып, қыздырылған ауа жоғары көтеріледі. Жердің айналуы ауа ағынына кедергі келтіреді. Нәтижесінде жыл бойы солтүстік жартышарда күші тұрақты солтүстік-шығыс пассат, оңтүстікте- оңтүстік-шығыс пассат соғып тұрады. Пассаттар экватор маңында 25 30° аралықта сәйкесінше солтүстік пен оңтүстік ендікте соғады. Солтүстік жартышарда пассат мұхит бетінің 11% ұстайды, ал оңтүстікте 20%. Пассатты жел күші 2,3 балды құрайды. Бофорт шкаласы бойынша жел күші (балл) жел құралына әсері мен жұмыс істеу шарты кестеде көрсетілген.солтүстік жел жыл бойы солтүстіктен шығысқа 40-тан 60° оңтүстік ендікте, Антрактиданың дрейфтік мұзшықтарының айналасында соғады. Бұл ең күшті тұрақты жел. Оның күші 8-10 баллға дейін жетіп, 5 баллдан төмен аз болады. Материк тереңдігінде желдің тұрақты бағыты жоқ. Жылдың әр мезгілінде құрғақ жерлер әр түрлі қызатын болғандықтан тек жел бағыты сезонын ғана айтуға болады. Сондай-ақ, әр биіктікте жел әртүрлі болады, 50 метрге дейінгі биіктікте «рыскающие» ағындар тән.
Жергілікті желдер
Ең алғаш жергілікті жел қолданылды. Оған бриз кіреді. Бриз [фр. brise] –таза жел.) Бриздер– температураның тәуліктік тербелісімен болатын материк жағалауы мен үлкен құрлықтарды қамтитын жеңіл желдер. Оның периодтылығы күндіз және түнде құрлық мен көлдің температурасына байланысты. Күндіз құрлық көлден қарағанда тез және жылдам қызады. Жылы ауа жағалау бойымен көтеріліп, ал оның орнына көлдік бриз деп аталатын көлден салқын ауа келуге тырысады. Түнде көлден қарағанда жағалау тез және күшті суйды, сондықтан жылы ауа көлден көтеріледі, ал оны суық ауа- жағалау бризі алмастырады.
Қозғалу принципі.
Желдвигательдің принципі тек біреу: желдің күшімен генератор валына редуктор арқылы айналғыш моментті беріп күрекшелі желдөңгелегі айналады. Желдөңгелегінің үлкен диаметрі көбірек ауа ағынын ұстайды, яғни агрегат көбірек энергия алады.
Горизонтальдық осьпен айналумен жел диірменінің дәстүрлі құрастыруы аз мөлшерді және қуаттылықты агрегаттар үшін тиімді болып табылады.Лопастьтың кең өріс алуында мұндай құрастыру нәтижесіз болып табылады,яғни әр түрлі биіктікте жел әр жаққа соғады.Сонымен қатар, жоғары жылдамдықпен қозғалған ірі қондырғының лопастьтың соңы дауылға әкеліп соқтырады..Дегенмен, жел энергиясының қолдану жолындағы ең басты кедергі тиімді агрегаттың қуаттылығы көп емес болып табылады және оның пайдалануына кеткен шығын үлесі айтарлықтай болып келеді.Қорытындысында өзіндік құнының энергиясы жел диірменіне горизонтальдық осьпен дәстүрлі энергия көзіне нағыз конкуренцияны көрсетуге мүмкіндік бермейді.Боинг фирмасының болжамы бойынша келер жүзжылдықта – қанатты жел қозғалтқыштық лопастьтың ұзындығы 60 метрден аспайды,яғни 7МГВт қуатты дәстүрлі жел агрегатты құрастыруға мүмкіндік береді.Қазіргі кезде олардың ішіндегі ең ірісі – екі есе “әлсіздеу ”. Үлкен жел энергетикасында тек массалық құрылыс кезінде киловатт- сағаттың бағасы 10 центке дейін төмендетіледі деп есептеуге болады.Аз қуатты агрегаттар басқаларға қарағанда шамамен үш есе өндіре алады.
Жел қозғалтқышының типтері.
Жел қозғалтқышының типтерінің көбісі ежелден белгілі.Жел агрегаттарының негізгі түрлері 2 – суретте көрсетілген.Олар екі топқа бөлінеді:
1.Горизонтальды осьпен айналу жел қозғалтқыштары (қанатты) (2-5);
2.Вертикальді осьпен айналу жел қозғалтқышы (карусельді:лопастьты (1) және ортогональды (6));
Жел
агрегаты деп аталатын генератордың
валының механикалық қуаты келесі
қатынаспен анықталады:
(7.14) мұндағы u0-жел жылдамдығы, Ср-желді қолдану коэффициенті,ρ – ауа тығыздығы.
Қанатты
Қанатты жел қозғалтқышының типтері лопасть санымен және бағдар түрімен ажыратылады.Қанатты жел қозғалтқыштар үшін айналу осінің автоматтық қиылысына құрылғы қажет етіледі.Осы мақсатпен қанат- стабилизатор жиі қолданылады
9
.
Толқындар және су тартылыстың энергиясын
қолданатын жүйелер. Гидроқұрылғылардың
түрлерін орнатпас бұрын, су қорының
гидроресурсын бағалау керек. Себебі
идеал жағдайда су H биіктіктен турбинага
құлайды, осыдан Q (м3/сек)
су шығынын ескеріп, су напорының қуатын
есептеу үшін гидроэнергиялық құрылғының
катынасы:
Мұнда r – сұйық тығыздығы, ережеге сәйкес су напорын қолданатын энергоқұрылғылар өзен ағысынан биік бөгеттен бөгейді. Судың потенциалдық энергиясы бөгеттің биіктігінің геометриялық қатынасы бойынша гидроқұрылғылық турбинасына беріледі. Бірақ судың потенциалдық энергиясының бір бөлігі арықтармен водоводтардың үйкелісіне жұмсалады. Өйткені, дәрісте трубалық водоводтағы үйкелістерінің шығынын есептеуге болады, водовод қысқа, тегіс және қалың болуы керек. Дұрыс проектіленген шағын және жылжымалы СЭС-терде үйкеліске шығындану 30% энергиядан аспайды,(жақсы жағдайда). Үлкен СЭС-те (сарқырамада) ~ 5÷10% энергия.
Кез-келген гидростанцияның қуаты, су шығынына тәуелді, сондықтан электростанцияның параметрлерін таңдағанда шығын орташа және экстремалды мөлшерін анықтау маңызды.
Шағын өзен мен жылғаларда суды жасанды “су жинағышпен” шығынды есептейді.
Бүкіл ағыс токты ламинарлық сызықтарына жіктеледі. Әрбір сызық өзінің ағынымен сарқынды су кіреді, ол 7.2. теңдеумен есептеледі. Ток сызықтарының әрбіріне Бернулли теңдеуін жазғанда 7.3. әрбір ток сызықтарының қысымы суда ағызғаннан кейін әртүрлі болатындығын ескерту қажет (7.4.). Су аққан кезде су ағыны еркін құлайды. Әрбір нүктедегі қысым Р2 атмосфераға тең, яғни табалдырық күйге қарағанда сұйықтықтың барлық бағандары ток сызығына қысым түсірмейді(қоспайды). 7.5 интегралдық өрнегі су шығынының дәл анықтайды. Егер 7.6 арқылы су шығынының қарапайым өрнегін алып 7.7 жұқа су жинағыш арқылы өрнектеуге болады, іс жүзінде су жинау мен оның моделдерін бірнеше жылдам ағыспен тарировкалайды.
Гидроқұрылғыларды тек өлшемінен ғана емес, су гидроқұрылғыға ағыспен кіргенде қандай меншікті кинетикалық энергиясына байланысты ажыратылады.
Жоғарғы энергиялы гидроағынды құрылғыны-су (водонапорным) деп атайды. Егер кинетикалық энергиясы аз болса, мысалы жуықтағы өзен онда құрылғыны созылғыш немесе драг-машинасы деп аталады.
Суатқылағыш (водонапорный) гидроқұрылғылар үшін механиканың энергиялық электрлік энергияға синхрондық электрогенераторлармен айналдыру үшін активті және реактивті турбиналар қолданылады. Турбиналар су ағысының энергиясын электрогенератордың роторын айналдыруы қажет, ол ары қарай электр энергиясына айналады.
АКТИВТІ ГИДРОТУРБИНАЛАР
Су сорғалауы (струясы) қалақшаға соғып оған импульс береді, осылайша турбинада айналу моменті деп аталады. Тыныштықтағы турбина су ағысының екі еселенген импульс қабылдайды. Бірақ, жылдамдыққа дейін айналған турбина 1.8 – өрнегіндегідей бір қалақшаға аз күш пен импульс қабылдайды. Сорғалау (струя) мен қалақша 7.2 – суретте
Сызықтың жылдамдық бойынша Uл айналған турбина қуаты 7.9 – өрнек бойынша есептеледі.
1-электрогенератор; 2-келтірілмелі белбеу; 3-гидротурбина;
4-сопло; 5-вентиль; 6-су бергіш; 7-плотина; 8-тор.
10. Күннің жылу энергиясын механикалық энергияға түрлендіру.
Күн энергиясын механикалық қозғалысқа түрлендіруге болады. Ол үшін диаметрі 1,5м параболалық айнаның фокусына Стирлинг циклі бойынша жұмыс істейтін динамикалық түрлендіргішті орналастырамыз. Ол тез арада 1кВт қуат алып, 20м тереңдіктен 2м3 суды көтереді екен. Қазіргі кезде күн сәулесін пайдалану арқылы кептіргіш аспаптардың, түрлі қыздырғыштың конструкциялары жасалынған. Көкөніс-жемістерді, дәнді-дақыл өнімдерді, мақта, табак, кірпіштерді осындай аспаптардың көмегімен кептіруге болады. Мысалы, Ташкент қаласында диаметрі 2,05м сфералық айнасы бар концентратор автоматты жүйемен қамтылған. Осы аспаптың көмегімен металл және керамика бұйымдарын балқыту, дәнекерлеуге болады. Гелиоконцентраторлар ғарышкемелердің температурасын арттыру мақсатында және ғарышкеме планетаның көлеңкесінде қалған мезетте қажетті энергия шығынын толтырады. Бұл қондырғы біріккен концентратор қабылдағыш пен жылу аккумуляторынан тұрады. Жұмыс істеу принципіне тоқталсақ, айнадан шағылған күн сәулесінің ағынын қабылдағышқа бағыттайды. Ішкі энергиясы артып, жылу аккумуляторына түседі, фототүрлендіргіш электр энергиясына айналдырып тұтынушыға жеткізіледі.
Күн энергиясын бірден механикалық энергияға айналдыратын қозғалтқыш(двигатель) моделі. Екі жағынан қабырғалары 1(скобы) орналасқан және тесіктер мен бұранда(резьба) жасалған. Осы тесіктерге екі болт орнатылған 2, олар подшипник қызметін атқарады. Олардың бастарында кішкентай тесіктер тесіліп, осы тесіктерге конустық ұшы бар вал 3 қойылады. Валға жылуизоляциялық материалдан жасалған диск орнатылады 4. Осы дискке биметалды пластиналар 5(суретте тек екеу, әдетте одан да көп болады) бекітілген және олар валға параллель орналасады.
Сыртқы қабатта ішкі қабатқа жылудың өтуін азайту үшін биметал пластиналарды жылуизоляциялық жабындылармен (прокладка) бөледі. Әр пластинада жүктер 6 орнатылған. Олардың көмегімен инерция моменті артып, нәтижесінде қозғалтқыш қуаты артады. Осы құрылғыны күн сәулесіне қойсақ, вал бірден айнала бастайды.
Биметал пластиналар күн сәулесі әсерінен қызып, майысады. Нәтижесіндее оның ауырлық центрі айналу осіне қарай ығысады, тепе-теңдік бұзылып, вал белгілі бір бұрышқа бұрылады. Пластина көлеңкеда болғанда, ол суып, қайта түзеледі. Күн сәулесіне келесі түскен пластина майыса бастайды. Вал тағы бірнеше бұрышқа бұрылады. Қозғалтқыш күн сәулесінің астында үзіліссіз жұмыс істейді.
11. Күн сәулеленудің спектрлік және энергетикалық құраушылар,күн экспозициясын бағалау. Максимум энергии излучения Солнца находится приблизительно при 480 нм. По интенсивности излучения Солнца было определено, что суммарная отдача им энергии равна 4 - Ю33 эрг / с. Предположим, что Солнце отдавало энергию с этой скоростью в течение У лет, прошедших с того момента, как началось его сжатие. Половина гравитационной потенциальной энергии Солнца перешла в кинетическую энергию составляющих его молекул ( согласно теореме о вириале), а другая половина - в энергию излучения. Спектральный состав излучения Солнца очень близок по характеру к кривой излучения абсолютно черного тела. Это видно из рис. 67.3, на котором пунктиром даны спектры излучения абсолютно черного тела при температурах 6000 К и 6500 К. Максимум энергии излучения Солнца приходится примерно на 4700 А. Если рассматривать Солнце как абсолютно черное тело и воспользоваться законом смещения Вина, то можно рассчитать, что температура наружных слоев Солнца близка к 6200 К. На характеристики излучения Солнца влияют солнечные пятна, периодичность появления которых равна одиннадцати годам, взрывы и протуберанцы, которые относительно апериодичны. Кроме того, влияют постоянные неравномерности в фотосфере. Большая часть излучения Солнца достигает Земли, но уходящее излучение может частично поглощаться атмосферой. Ревел в 1957 г., считающий, что физики не очень-то разбираются в явлениях окружающей природы. Есть почти линейная связь между содержанием двуокиси углерода в атмосфере и количеством лесных пожаров, инициируемых молниями. Нашу атмосферу можно разделить на два слоя; нижний теплее.Количество энергии излучения Солнца во всем диапазоне длин волн, получаемой в единицу времени единичной площадкой, перпендикулярной солнечным лучам, вне земной атмосферы на среднем расстоянии между Землей и Солнцем, называется солнечной постоянной. Принимая, что излучение Солнца подчиняется законам излучения абсолютно черного тела с температурой поверхности 5800 К, определите полную энергию, излучаемую Солнцем за I с. Определите длину волны, на которую приходится максимум теплового излучения в спектре Солнца. Я мк МУ излучения солнца и, 2.10. Кривая относительной видимо - очевидно, явилась ре-сти человеческого глаза. Днем под действием излучения солнца на высоте 60 - 70 км появляется ионизованная область, носящая название слоя D. Ночью этот слой исчезает. В этом слое значительную роль приписывают также отрицательным ионам. Соотношение между интенсивностью излучения солнца в различных областях спектра зависит от времени дня.Максимум в спектре излучения Солнца ( до прохождения излучения через атмосферу Земли) приходится на длину волны Кт 480 нм. После прохождения излучения через атмосферу максимум смещается в сторону более длинных волн и приходится приблизительно на 550 нм. Подстановка этого значения в формулу (4.6) дает для цветовой температуры Солнца значение 6000 К. Радиационная температура Солнца получается равной примерно 5800 К. Малое различие между цветовой и радиационной температурами указывает на то, что поверхность Солнца по своим свойствам близка к абсолютно черному телу.Стекающий газ возбуждается излучением Солнца и светится позади кометы.На верхнюю границу атмосферы излучение Солнца падает в виде параллельного пучка.Вопрос о величине энергии излучения Солнца, непосредственно поглощаемой водяным паром и другими веществами, входящими в состав земной атмосферы, представляет интерес с двух точек зрения.