Жұмыстың идеясы қайта жаңартылатын энергия көздерін пайдалана отырып арзан және экологиялық таза энергияға қол жеткізу

Қарқаралыда табиғи өсетін биомассаның орасан потенциалды  қорлары бар. Пайдаланылмайтын жерлерде энергетикалық өсімдікті өсіру  оларды айналымға шығарады, гумсум қабатты эрозиядан топырақты  қорғайды, флора мен фаунаның өсуіне қосыша даму береді және соңғысы, көмірмен жұмыс істейтін қазаңдықтардың санын  азайту есебінен  қоршаған ортаның  жағдайын, экологиялық жағдайды жақсартады.

Отынның жергілікті түрлерін жылу мен электр энергиясын өндіру, өнеркәсіп пен ауыл шаруашылығында қажетті бірнеше материалдарды  алу үшін пайдалану электр энергиясының жетіспеушілігін қосымша генерациялауды қамтамасыз етіп қана қоймай, сондай-ақ депрессивті аудандарда шаруашылықты жаңартып, ондағы өмірдің сапасы мен деңгейін көтеріп, әлеуметтік қысылуды төмендетуге және ауыл өмір тіршілігін сақтауға, өндірістік өнеркәсіптерге, қондырғыны жасаушылар мен шаруашылық объектілерін жобалаушыларға тапсырыс беруге мүмкіндік береді. 

Қарқаралы аумағында дәстүрлі емес және қайта қалпына келтірілетін энергия көздерінің саласында инновациялық технологияларға көшуге мүмкіндік  беретін үлкен ғылыми-технологиялық  бөлімдері бар бірнеше ғылыми-зерттеулік мекемелер орналасқан.

2.1 Жел энергиясын пайдаланудың маңыздылығы

Қаржы-экономикалық дағдарыс белең алған бүгінгі таңда  ғаламшардың энергия-экологиялық  қауіпсіздігі мәселесі де әлемдегі елдердің алаңдаушылығын туғызып отыр. Қазақстан  парниктік газдарды ауаға тарататын  ірі өндіруші елдер қатарына жатады. Осыдан он бес жыл бұрын Қазақстан Республикасы Біріккен Ұлттар Ұйымының климаттың өзгеруі туралы конвенциясын қабылдады. 2009 жылы конвенцияның Киото хаттамасына қол қойылды. Еліміз осыған сәйкес, жаһандық климаттың өзгеруінің алдын алу әлемдік қозғалысының қатарына қосылып, оны жүзеге асыру жауапкершілігін мойнына алды. Мақсаты Қазақстан Үкіметіне жел энергетикасын дамытудың ұлттық бағдарламасын дайындауға көмектесу.

Жел энергетикасын пайдалану  мақсаты сәйкес жел энергетикалық  ресурстарын болуымен анықталады. Қазақстан  жел ресурстарына бай. Қазақстанның 50 % аумағында желдің орташа жылдық жылдамдығы 4-5 м/с құрайды, ал бірнеше  аудандарда желдің жылдамдығы 6 м/с  және жоғары, бұл жел энергетикасын  қолдану мақсатын өте жақсы анықтайды. Мамандардың бағалауы бойынша, Қазақстан  жел энергетикасын дамыту үшін сәйкес жағдайлары бар дүние жүзі мемлекеттерінің біреуі. Желді орындар Каспий маңында, орталықта және Қазақстанның солтүстігінде, оңтүстігінде және оңтүстік-шығысында орналасқан. 10 МВт/км2 деңгейінде ЖЭС қуаттылығының тығыздығын және маңызды бос кеңістіктердің болуын ескере отыра Қазақстанда бірнеше мың МВт қуаттылықты ЖЭС орнату мүмкіндігін болжауға болады. Кейбір мәліметтерге сүйенсек, теориялық түрде Қазақстанның жел потенциалы жылына 1820 млрд. кВт.ч жуық құрайды.

Соңғы бірнеше жылдарда бақыланған жел электр энергетикасының сәттілігінің бірнеше себептері бар. Қарапайым  электр энергиясы өнеркәсібімен  салыстырғанда, жел құбырлары экологиялық  таза энергияны өндіреді. Олардың  жұмыс кезінде атмосфераға көмірқышқыл  газ және ауаны, суды немесе топырақты  ластайтын басқа қалдықтар лақтырылмайды.

Бірінші жел электр станциясының электр тасымалдаушысының басқа  ерекшелігі ол тегін, ескірмейді және мол. Жел құбырлары үлгілі құрылысы жағынан тез орнатылады және отынның  импортынан және отынға деген бағаның  тербелесіне тәуелсіз ретінде сипатталады. Заманауи жел құбырларының сенімділігін ескере отырып, олардың пайдалану  дайындығы (жел құбыры жұмыс дайын  кездегі уақыт үлесі) 98% құрайды. Электр энергиясын өндірудің басқа  технологиясы мұндай дпайдалану дайындық нормасын қамтамасыз етпейді.

Құбыр өндіретін электр энергиясының саны құбырдың түрі мен пішініне, сондай-ақ оның орналасуына байланысты. Бофорт шкаласының 2 баллынан (3 м/с жуық) бастап құбыр айнала бастайды және желдің 6 балл  жылдамдығында (12-13 м/с) құбыр  толық қуатын алады.

Алдында шығарылған жел құбырларында 25 м/с жоғары жел жылдамдығында ағымның үзілу нүктесінде көмірді атуды басқару механизмі қолданылды. Ол құбырдың немесе жөндеу құрылымының агрегатының зақымдалуы мен жүктелуін алдын алуға қолданылған.  Заманауи құбырлар желдің қатты үдеуі кезінде құбыр лопасттарының бұрылу бұрышын реттейтін винт қадамын басқару кестесімен жабдықталған. Лайықты орында орнатылған орташа құбыр жылына орташа ротордың метр квадрат ауданына 850 кВт/сағ өндіреді. Жел құбырының орташа жылдық өнімділігін анықтаудың басқа қарапайым ережесі мынаған негізделген: орташа күшті желді позицияда қорытынды толық салмақтан 2000 сағатты, ал қатты желді позицияда толық салмақатн  3000 сағатқа жуықты құрайды.

Жел құбырлары энергияның қалпына келтірілетін көздерінің негізінде  электр энергиясын өндірісіне негізгі  үлесін қосады.  Жел энергиясын пайдалану  саласындағы үздіксіз жұмыстар жел  генераторларының құрылымын тұрақты  жақсартуда білінді және соңғы онжылдықта жел энергетикасы секторында маңызды  өсім болды.

Құбырлар үлкен бола бастады, ПӘК-і мен сенімділік жоғарылады және жел электр станцияларының қуаттылығы жоғарылады.

Бүкіл дүние жүзінде электр энергиясын тұтыну өсуде. Еуропа елдерінің  көбісі климаттың болашақта жылуын тоқтату үшін атмосфераға көмірқышқыл  газының шығуын төмендету бойынша  мақсаттарды тағайындады. Бұл мақсаттарға бірінші жағынан энергияны үнемдеуге бағытталған іс-шараларды қабылдау нәтижесінде, екінші жағынан қайта қалпына келтірілетін энергия көздерін кеңінен қолдану жағдайлары кезінде жетуге болатыны туралы жалпы пікір қалыптасқан.

Жел құбырлары энергияны  құбыр роторының айналу күшімен  құбыр лопасттары арқылы өтетін желдің қысым күшінің пайда болуы  есебінен өндіреді. Құбырлардың лопасттары көтерме күш деп аталатын пайда  болатын ұшақтың қанатына ұқсас  жұмыс атқаратын аэродинамикалық  беттер.

Пайда болған ауа ағымының әсерінен аэродинамикалық профильдің желсіз бетінде жоғары қысым, ал жел  жағында төмен қысым пайда  болады. Қысымдардың айырмашылығы итерме күшті туғызады. Бұл көтерме күш  құбыр лопастына үрілетін желдің жылдамдығының бағытының векторлы қосылуы мен құбыр лопастының айналу бағытынан туатын нәтижелі күштің (желдің жылдамдығын нәтижелеу) бағытына перпендикуляр бағытталған. Нәтижесінде  көтерме күш механикалық айналушы моментке айналады. Білікке берілетін  қуат екі әдіспен қолданылуы мүмкін. Жүздеген жыл ол бидайды ұнға айналдыруға  немесе суды кашеттеу үшін қолданылған, бірақ қазіргі заманғы генератормен жабдықталған үлкен машиналар біліктің қуатын электр энергиясына айналдыру  үшін қолданылады.

Жел құбырларында қолданылатын техникалық шешімдер соңғы екі онжылдықта үдемелі түрде дамыды. Бірақ құбырлардың  жұмысының негізгі принциптері  өзгеріссіз қалды және екі түрлену  үрдісінен тұрады. Бұл үрдістер құбырдың негізгі түйіндерімен іске асырылады:

-ротор кинетикалық энергияны желден шығарады және оны генератордың айналмалы моментіне айналдырады;

-генератор айналмалы моментті электр энергиясына айналдырады, ол жалпы қолдану желісіне беріледі.

Заманауи құбыр екі  немесе үш лопасттан тұрады. Лопасттар  полиэфирден, армирланған шыныматадан  немесе көміртек матадан тұрады. Сериямен лопасттар 1 метрден 100 метрге дейінгі  өлшеммен өндіріледі. Лопасттар ступица  деп аталатын болат құрылымға  бекітіледі.

Гондола дегеніміз құбырдың машиналық бөлмесі. Гондоланың корпусы  роторды желге бағыттау үшін болат  бағанда айналатындай етіліп құрастырылған. Жел бойынша ротордың бұрылысы құбыр  корпусында датчик ретінде флюгер қызмет атқаратын датчикпен басқарылатын автоматтық жүйемен толықтай іске асырылады. Машина бөліміне кіру тұғыр арқылы іске асырылады. Онда мойынтіректі басты  білік, редуктор, генератор, тежеу мен  бұрылыс жүйесі сияқты құбырдың негізгі  түйіндері бар. Басты білік ротордың айналмалы моментін редкторға жібереді. Редуктор біліктің айналу жылдамдығын  қажетті беру санымен генератордың ротордың ауналуы үшін қажет жылдамдыққа  айналдырады. Қуаттылығы 1,0 МВт және диаметрі 52 м құбыр минутына 20жуық айналым жылдамдықпен айналады, ал генератордың роторы  1500 айн/мин  жылдамдықпен айналады. Берілу саны бұл  жағдайда 1500/20 = 75 тең. Қазіргі уақытта құбырдың негізгі үш түрі қолданылады. Олар бір-бірінен қолданылатын генератор түрімен және жүктелудің алдын алу үшін номиналды мәнді жел жалдамдығын жоғарылату кезінде ротордың аэродинамикалық тиіміділігін шектеу әдістерімен ерекшеленеді. Барлық заманауи құбырларда генераторлардың келесі жүйелерінің бірі қолданылады:

-қысқа тұйықталған роторлы синхронды генератор;

-екі қоректендеру көзді синхронды генератор (вазалық ротор);

-редукторсыз синхронды генератор.

Жел құбырларындағы электр энергиясын генерациялаудың бірінші  жүйесі болып қысқа тұйықталған  роторлы синхронды генератор  табылады. Құбыр мен генератордың айналу жылдамдығының үлкен айырмасына байланысты айналмалы моментті құбыр  білігінен генератор роторына беру үшін редуктор қолданылады. Генератор  статорының орамдары жалпы қолданыстағы шекаралық электр желісіне қосылады. Бүл тип тұрақты жылдамдықтағы  жел құбыры атауын алды, себебі қысқа  тұйықталған роторлы синхронды  генератор ротордың айналу жылдамдығын  аса аз шекте өзгерте алады (1% жуық). Қысқа тұйықталған роторлы  синхронды генератор жалпы қолданыстағы желіден реактивті қуатты алады. Бұл жағымсыз жағдай, әсіресе әлсіз  желіде. Сондықтан генератордың реактивті  қуатты қажет етуі конденсатормен толтырылады.

Өзгертілетін жылдамдықты  генераторлардың бірінші түрінде  екі қоректендеру көзді синхронды  генератор қолданылады. Күшті электрониканың көмегімен тоқ генератор роторыынң  орамына беріледі. Генератор роторының  орамы тікелей жалпы қолданыстағы желімен байланысқан. Ротор орамына  берілетін тоқ жиілігі тұрақсыз, сондықтан электрдің жиілігі  мен механикалық бөлшектердің айналу жылдамдығы бір-бірімен байланыспаған. Соған орай, ротордың айналу тұрақсыз жылдамдығымен жұмыс мүмкін. Ротордың айналу және генератор роторының жылдамдықтарының сәйкестігі редуктор көмегімен іске асырылады. Генератор мен желі күшті электроника көмегімен айырылған. Мұндай кестеде тұрақсыз айналу жылдамдықпен жұмыс мүмкін. Мұндай типті жел құбырларында кейбір өндірушілер ротордың аз айналу жылдамдықты арнайы генераторлар қолданады.

Жел құбырлары жоғары деңгейлі сенімділікті сақтандырушы жүйелермен жабдықталған. Бұл жүйелердің бірі аэродинамикалық тежеу жүйесі болып  табылады. Апаттық жағдайларда немесе құбырдың айналымын тоқтату үшін техникалық қызмет ретінде әдетте дискілік тежегіш қолданылады.

Жел құбырлары – бұл  жоғарғы технологиялық жүйелер. Жұмысқа қосқаннан кейін құбарды  басқару автоматты жеке компьютерлік жүйе арқылы іске асырылады. Құбырдың жағдайы туралы мәлімет қашықтан иесімен немесе алыс байланыс сызықтары  бойынша өндірушімен, мысалы , модем  көмегімен басқарылуы мүмкін.

2.2 Қалаға ЖЭС салу мүмкіндігі

ЖЭС-қа арналған алаң Қарқаралы қаласы маңайында, қала шетінен шығысқа 2 м жуық қашықтықта орналасқан . Жақын орналасқан жергілікті мекен 200-800 м таулы бөлік. Қаланың батысында биіктігі 1400 м орманды Қарқаралы тауы орналасқан. Солтүстік, шығыс және оңтүстік шекарасында орташа биіктігі 950-1000 м тең тау қатарлары бар.

Қаланы жабдықтайтын 110  Кв екі тізбекті ЭБС қарастырылатын бөлімнен солтүстікке қарай 2 км жуық өтеді. ЖЭС-ның орналасуын жобалау бөлімі қаладан шығысқа қарай, тау шыңында теңіз деңгейінде 900 м жуық биіктікте орналасқан. Қарқаралы қаласының алаңында 2006 жылдың қыркүйегінде Әкімшіліктің қолдауымен биіктігі 50 м метеомачта орнатылды және желдің жылдамдығы мен бағытының жылдық өлшемі жүргізілді. Өлшеулер жел потенциалын бағалау үшін жел жылдамдығын өлшеу саласындағы халықаралық стандарттарқа сәйкес жүргізілді. Жел потенциалын бағалау және мәліметтерді өңдеу, верификациялау Аустралияның «PB Power» атты халықаралық компаниясының қатысумен жүргізілді.

Қарқаралы қаласы мен оған жақын маңдағы аудандардың климаты  құрғақтылық пен континенттіліктің  жоғары деңгейімен сипатталады. Бұл  аймақтың температурасы жазда +38 пен қыста -48 аралығында ауыспалы.

Аязсыз мезгілдің ұзақтығы 100 күнді құрайды. Қыс суық, желді, боранды, жаз орташа, жылы, желді. Суыту  мен жылыну арктикалық және орташа азиаттық сипаттағы ауа массаларының енуімен байланысты, атлантикалық массалар бұлт пен жауын-шашын режимінің циклондық іс-әрекеті үрдісімен анықталатын дымқылдың негізгі тасушылары ретінде қызмет атқарады. Бұл аймақтың климаты қыс-жаз мезгілдеріндегі барлық көрсеткіштер бойынша тербелістің үлкен амплитудасымен мезгілдік циклдікпен сипатталады. Географиялық кеңдік пен салыстырмалы кішкене бұлттылық қыс қабатының жақсы инсоляциясын анықтайды, ол жылына см2-қа 100 кал. жуық құрайды, оның шамасы негізі бұлттылық жағдайларымен анықталады. Қосынды радиацияның жылдық шамасы маусымдық максимуммен сипатталады, ал радиация минимумы желтоқсанға сай келеді. Тұманды радиацияның максималды айлық мәндері жыл ағымында көктем-жаз мезгіліне сай келеді, жиі мамырға келеді. Бағаланатын шекараның альбедо шамасы (жұтылған және шағылған радиацияның шамалары арасындағы қатынас) желтоқсан-ақпан айларында 70%-80% жетеді, ол мұндағы тұрақты қар жамылысының пайда болуымен байланысты. Жазда альбедо шамасы 16 – 18%  дейін төмендейді. Радиациялық баланс шекараның климаты мен ауа-райысының қалыптасу үрдісінің жүрісін анықтайды. Желтоқсан мен қаңтарда ол теріс сәнге ие болады. Маусымда радиациялық баланстың шамасы 8-9 ккал/см2 тең. Жыл мезгілдері бойынша оның минимумы желтоқснда байқалады. Радиациялық баланстың айлық шамаларының тербелістерінің жылдық амплитудасы орташа 9-10 ккал/см2 жақын. Жазда мол күн радиация ағынымен айқындалған ауаның қарқынды қызуы әсерінен бағаланатын шекарада атмосфералық фронттан айырылған кеңейтілген термиялық депрессия пайда болады. Әдетте оның пайда болуы маусым мен тамызға сәйкес, онымен жауын-шашынсыз ыстық ашық ауа-райы байланысты. Жылы мезгілде 125 - 185 мл жауын-шашын жауады. 135 -140 күн аралығында ауа температурасы 10С° жоғары. Тұрақты қар жамылысымен байланысты мезгіл 125 -140 күнге созылады, оның биіктігі 16-35 см құрайды, ал қардағы судың қоры 40 - 90 мм аспайды.