Гидротермалдық жүйелер

Кіріспе

 

Энергияның физикалық  түсүнігін басқа, экономикалық, техникалық, саяси және тағы басқа да түсініктері  бар.

Адамзатқа энергия қажет  және жыл сайын оның қажеттілігі  артуда. Бірақ традициялды табиғи отындардың  (мұнай, газ, көмір т.б.) қоры шексіз емес. Көбейткіш-реакторларда плутонийді пайда қылатын уран мен торий-ядролық отындардың де қоры шексіз емес.Термоядерлық отынның – сутегінің қоры шексіз болғанымен, бірақ адамның басқаруымен жүретін термоядерлық реакциялар жүзеге асырылған жоқ және де қашан жүзеге асырылатыны белгісіз. Тығырықтан шығудың екі жолы бар: энергоресурстарды экономды жұмсау және традициялды емес жаңартылатын энергия қорларын қолдану.

Бұл ғылыми жобада электр энергиясы көзінің альтернативті  түрлері қарастырылады. Жер астынан  алынатын отын түрлерінің азаю салдарынын жаңартылып отыратын энергия түрлері қолдануда - бұл энергия формалары өзінің жиналған қорымен шектелмеген. Осындай типті энергияның қолдануы энергия қорының азаюына әкелмейтінін білдіреді.

 Жобаның мақсаты  - ауыл шаруашылығында қолдануға болатын үй жануарларының қилары, құс саңғырығы анаэробты жағдайда ашыған кезде бөлініп шығатын биогаздардың энергиясының мөлшерін есептеп, оны электр энергиясына айналдырудың жолдарын қарастыру.

Ғылыми жобада қарастырылған  энергияны түрлендіру схемасын «экоэнергетика» деп атауға болады, бұл термин қоршаған ортаны ластамай таза энергияны пайда қылатын әдістеді білдіреді. Ауыл шаруашылығында қажет органикалық тыңайтқыштардың пайда болуы, табиғи жағдайда өсімдіктермен жақсы өндірілетін көмірқышқыл газының пайда болуы электр энергиясын  биогаздардан алуға деген сөзге қолдау береді.

 

 

 

 

І тарау.  Электр энергиясы көзінің альтернативті  түрлері

 

1. Жел энергиясы

 

Біз ауалық мұхиттың түбінде-желдер әлемінде өмір сүреміз. Қозғалыстағы ауалық масалардың энергиясы орасан көп. Жел энергиясының қоры, ғаламшарымыздағы барлық өзендердің гидроэнергияларының қорынан жүз есе көп. Біз тұратын ауалық мұхитта тынышты емес. Біздің мемлекетіміздің төңірегінде соғатын желдер, елімізді электрэнергиясымен қамтамасыздандырады. Еліміздегі климаттық жағдайлар жел энергетикасының дамытуға қолайлы.

Әр түрлі авторлардың  бағалауынша Жер бетіндегі жел  энергиясының потенциялы 1200 ТВт дейін  жетед, бірақ осы потенциалды  қолдануға Жер бетінің әр төңірегінде  біркелкі емес. Вертикаль қимадан өтетін жел қозғалысының қуаты, энергияны түрлендіруге жеткілікті болу үшін 20-30 м биіктікте желдің жылдық орташа жылдамдығы көп болуы қажет. Жел қозғалысының орташа жылдық меншікті қуаты 500Вт/м²-қа (желдің жылдамдығы 7 м/с ) жететін жерде орнатылған жел энергетикалық құрылғы 500 Вт/м²-тың 175-ін ғана электр энергиясына түрлендіреді.

Жел қозғалысының энергиясы  жел жылдамдығының үшінші дәрежесіне пропорционал. Бірақ, идеалды құрылғының көмегіменде бұл энергияны толығымен  электр энергиясына айналдыруға мүмкіндік жоқ.  Жел қозғалысының энергиясын пайдалы қолдану коэффициенті(ПҚК), теориялық есептеулер бойынша 59,3% құрайды. Басылымға шыққан мәліміттер бойынша, практикада жел энергиясының ең  үлкен ПҚК-і  реалды жел агрегатында жуықтап алғанда 50% жақын болады, бірақ бұл тек қана проектіде қарастырылған желдің оптималды жылдамдықтарында ғана. Одан басқа, жел қозғалысының энергиясының бір бөлігі механикалық энергия электр энергиясына түрленген кезде жоғалады, оның ПӘК-і 75-95%.  Осының барлығын ескере отырып, реалды агрегат проектіде қарастырылған тұрақты жылдамдықтар диапозонында жұмыс  істесе ғана, желдік агрегаттың меншікті электрлік қуаты жел қозғалысының қуатының 30-40%-ын құрайды. Бірақ кей-бір кезде, желдің жылдамдығы есептелген жылдамдықтардың шектерінен шығып кетеді. Бір жағдайда желдің жылдамдығы тым төмен болады, бұл жағдай да жел агрегаты жұмыс істей алмайды. Екінші жағдайда желдің жылдамдығы тым көп болады, бұл жағдайда агрегат істен шығып қалмау үшін оны тоқтатуға тура келеді. Егер желдің жылдамдығы номиналды жылдамдықтың мәнінен асса, генератордың номиналды қуатынан аспау үшін, желдің механикалық энергиясының барлығы қолданылмайды. Осы фактілердің барлығын ескере отырып жыл бойындағы электр энергиясының меншікіті шығарылуы жел энергиясының 15-30% -ын құрайды.

Жел агрегатының жұмыс  істеу схемасы төмендегідей жасалған. Жел донғалағы динамо-машинаны-электр тогының генераторын қозғалысқа келтіреді.  Бұл біруақытта параллель  жалғанған аккумуляторлар батареясын зарядтайды. Аккумуляторлық батареялардың клеммаларындағы кернеу генератодың клеммаларындағы кернеуден азайғанда батарея автоматты түрде генраторға жалғанады да, керісінше жағдайда ағытылады. 

Қазіргі кезде жел  электрагрегаттары электр тогымен  мұнайшыларды қамтамасыздандырады; олар жетуге қиын жерлерде жұмыс істейді, алыс аралдарда, Арктикада және  үлкен халық топтары тұратын жерлерден алыс орналасқан мыңдаған ауылшаруашылдық фермаларда да жұмыс істейді. Мэн штатында тұратын американец Генри клюз екі мачта құрып оған екі жел двигателімен генераторларды орналастырды. әр-біреуі 6В, 60В және 2В-тан тұратын 20 аккумулятор оған желсіз күні жұмыс істейді, ал бензин двигателі оған резерв ретінде тұрады. Бір айда Клюз жел агрегаттарынан 250кВт*сағ энергия алады; бұл оған барлық шаруашылығын жарықтандыруға және электр аппаратураны(телевизо, тоңазытқыш т.б.) жұмыс істетуге жетеді.

Жел электрлік агрегаттарды кеңінен қолайлы жағдайларда  қолдануға  олардың қымбаттылығы кедергі жасайды

Қазіргі заманда жел  электрлік генераторлардың әр-түрлі  прототиптері шығарылған.

Құрылғыны проектілеуде ең үлкен қиыншылық ол кез келген желдің жылдамдығында пропеллердің айналу жиілігі біркелкі болуы тиіс.Өйткені  генераторды желіге қосқанда ол жиілігі 60 немсе 50 Гц айнымалы ток тудыру керек. Сондықтан лопасттердің көлбеулік  бұрышы реттеліп отырулы тиіс:жел күшті болғанда бұл бұрыш сүйірірек болуы тиіс, жел қозғалысы әлсіздеу болғанда бұл бұрыш арту керек. Лопасттерді реттеумен қатар  генератор мачтада желге қарсы автоматты түрде айнауы тиіс.     

 

 

1.2 Өзендер  энергиясы

 

Ағындагы судың энергиясы көп мыңжылдықтар бойы адамзатқа қызмет етеді. Оның Жердегі қоры орасан көп. Күннен келетін энергияның біраз мөлшерін жұтатын, Әлем мұхиты аккумулятор ретінде қызмет етеді. Мұнда толлқындар, толықсумен пен қайтулар және алып мұхиттық ағындар пайда болады. Мұхиттар мен теңіздерге суын әкелетін қуатты өзендер туады. Адамзат энергия қорын іздеу жолында осындай энергия түрін шет қалдырмағандығы да түсінікті. Адамзат ең алғаш өзендер энергиясын қолдануға үйренді.

Қазіргі кездегі гидроэлектрлістанцияларда су үлкен жылдамдықпен турбиналардығы лопастеріне бағытталады. Судың механикалық энергиясы турбина бойымен генраторға беріледі  және мұнда ол электр энергиясына айналады.  Қуаты бойынша гидроэлектлістанциялар кішкентай (қуаты 0,2 Мвт-тан бастап), кішкене (2 Мвт-тан), орташа (20 Мвт-қа дейін) және үлкен (20 Мв-тан үлкен).  Судың ағу жылдамдығы гидроэлектростанцияларды  бөлудің екінші критериі.

ГЭС-ді құруға өте көп  шығындар кетеді. Бірақ ол шығын  компенсацияланады.  Қазіргі замандағы  жоғарлы инженерлі деңгейде проектілендірілген ГЭС-тердің қуаты 100 МВт-ты асады, ал олардың ПӘК-і 95%-ды құрайды.

Турбина - энергетикалық  ең пайдалы машина, өйткені су өзінің ілгерілмелі қозғаласан оңай айналмалы  қозғалысқа аустырады.

Қоршаған ортаның ластанбауы,  эксплуатацияның қарапайымдылығы және табиғаттың өзімен орнына келетін энергия қоры гидроэлектростанциялардың ерекшеліктері. Бірақ үлкен гидроэлектростанцияға плотинаны құру өте күрделі есеп болып шықты. Қуатты гидротурбиналарды айналдыру үшін плотинаның артында өте көп су жинау керек. Египеттік пирамидаларды құруға жұмсалған материал мен салыстырғанда плотнаны құруға қажет материал орасан көп.

Сондықтан ХХ ғасырда  бірнеше ғана гидроэлектростанциялар салынды.

Бірақ адамзатқ жердің гидроэнергетикалық потенциалын аз ғана бөлігін қолдануда. Жыл сайын жаңбірден, қар еруінен теңіздерге ағатын су ағынндары қолданусыз қалады.

 

 

1.3 Геотермалдық  энергия

Жер, бұл кішкентай  жасыл ғаламшар,- біздің ортақ үй. Басқа ғаламшарлардың миридаларымен  салыстырғанда Жер онша үлкен  емес: оның үлкен бір бөлігінде жасыл өсімдіктер өмір сүріп жатыр. Бірақ бұл ғажап та және тыныш ғаламшар кейбір уақытта мінезін көрсетеді, бұл уақытта онымен ойнап керегі емес-ол осы мезгілде жылдар бойы өзі ақысыз берген  марапаттарын жоққа ұшыратады.  Үлкен апаттар-тайфундар мен смерчтер мыңдаған өмірлерді әкетеді, ешкімге бағынбайтын өзендер мен теңіздердің сулары өз алдында бәрін бұзады, орман өрттері саналған уақыттың ішінде үлкен аймақтарды оның құрылыстары мен егіндерімен жоғалтады.

Бірақ бұның бәрі оянған вулкан мен салыстырғанда ештеңе емес.

Жер шарының ішінде тығылулы тұрған орасан көп энергияның стихиялық  шығуымен адамзат көптен бері таныс. Кішкене ғана вулканның атқылауының  қуаты керемет, оның қуаты, адамның  қолымен жасалған,  алып энергетикалық  құрылысатдың қуатынан көп есе артады. Шынын айтқанда, атқылап тұрған вулканның энергиясын тікелей қолдануға мүмкін емес, өйткені бұл бағынбайтын стихияны адамзаттың бағындыруға шамасы жетпейді және бағымызға қарай, бұл вулкандардың атқылауы өте сирек оқиға. Бұл атқылап тұрған вулканның энергиясы, жер ішінде тығылған шексіз  энергияның аз ғана бөлігі.

Жер энергетикасы – геотермалдық энергетика Жердің табиғи жылулық энергиясын қолдануды өзінің базалық нүкте  ретінде алады. Бір киломметр  тереңдікті есепке алып Жер қыртысының үстіңгі қабатының темературалық градиенті 20-30⁰С, және, Уайттың мәліметтері бойынша(1965 ж.),  тереңдігі 10 км жер қыртысының жылу мөлшері 12*10²⁶Дж. Бұл жылулық ресурстар  4,6*10¹⁶т  көмірдің жылулық ресурсына эквивалентті. Бұл  техникалық және экономикалық әлемдегі көмір ресурстарының жылулық ресурстарынан 70 мыңнан астам рет көп. Бірақ, жер қыртысының үстінгі қабатындағы (10 км тереңдікке дейін) геотермалдық жылулық, оның көмегімен әлемдегі энергетикалық проблемаларды шешу үшін өте жайылған. Өнеркәсіпте қолдану үшін қажет ресурстар жекелеген геотермалдық энергияның  қайнар көздері ретінде берілген, олар қолайлы тереңдікте шоғырланған, өздерінің температурасы және көлемі электр энергия ретінде немесе жылу ретінде қолдану үшін жеткілікті.

 Геологиялық тұрғыдан  геотермалдық энергоресурстарды  конвективті гидротермалдық жүйелерге, вулкантекті ыстық жүйелер және жоғары жылулық ағынды жүйелер секілді үш топқа бөлуге болады.

 

1. Гидротермалдық жүйелер

 Конветивтік гидротермалдық  жүйелерге  жерасты су мен бу бассейндерін жатқызады, олар жер бетіне шығып гейзерлерді, сұр сазды көлдер мен фумаролдарды түзеді. Бұндай жүйелердің пайда болуы, жер бетіне жақын орналасқан жылу көзінің бар болуынан - бұл ыстық немесе балқыған тау жыныстары. Бұл жоғары температуралы тау жыныстарының аймағында тау жыныстары сіңірілген құрамына су кіретін формация орналасқан. Бұл су астында ыстық жынысты орналасқандықтан жоғары көтеріледі.

   Табиғи  ыстық  суы бар орындарда, электр энергияны  өндіру үшін буды қолдану негізге  алынған әдіс қолданылады. Бұл бу ыстық сұйықтың жер бетіне шыққанда пайда болады. Бұл әдісті бассейннен скважина бойлай келе жатқан ыстық сұйықтың жоғарлаған сайын оның қысымы азаяды, осы кезде сұйықтың 20% қайнайды да буға айналады. Бұл бу сепаратордың көмегімен судан айырылады да турбинаға бағытталады. Сепаратордан шыққан су өзінің минералды құрамына байлансты әрі қарай қолданылады.

Жоғары немсе орташа температуралы геотермалды сулардың негізінде электр энергияны өндіру үшін тағы бір әдіс қолданылады. Бұл  әдісте бинарлы цикл қолданылады. Бұл процессте бассейннен алынған су  екінші контурдағы жылутасымалдаушыны (фреон, изобутан) қыздыруға қолданылады. Фреон мен изобутанның қайнау температурасы төмен. Бұл сұйықтардың қайнауынан пайда болатын бу, турбинаны айналдыру үшін қолданылады. Жұмыс істеген бу конденсацияланады да, тағы да жылуалмастырушы арқылы өткізіледі. Мұндай құрылғылар электр энергияны өндіру үшін қолайлы жерде орналасқан ауылды мекендерде қолданыс табыла алады.

 

2. Вулкантекті ыстық жүйелер

Геотермальді ресурстардың екінші типіне магма және ыстық кепкен жыныстар жатады. Магмадан геотермалды энергияны алу әлі техникалық жағынан мүмкін емес. Ыстық кепкен жыныстардың энергияларын қолдану технологиялары жаңа ғана дамып жатыр. Бастапқы технологиялық әдістер бойынша. Ыстық жыныс бойлай өткен скважиналардағы сулардың энергиясын қолдану. Ыстық жыныс жатқан аймаққа дейін скважинаны тесіп сонан соң жоғары қысымдағы суды оның ішіне толтырады. Осы кезде жыныс жарылады. Сонан соң жарылған жыныста екінші скважина теседі. Соңында жер бетіндегі суық суды бірінші скважинаға толтырады. Ол жыныстан өткен мезетте қызады да екінші скважинадан ыстық су немесе бу ретінде алынады. Содан кейін бұны электр энергияны өндіру үшін қолдануға болады. 

 

 

 

3. Жоғары жылу ағындағы жүйелер

 

Геотермалды жүйелердің үшінші типтері жылу ағынының жоғары мәндері бар аймақтардың терең  бассейндерде орналасқан. Париждегі немесе Венгриядағы секілді бассейндерде скважинадан келетін судың температуралары 100⁰С дейн жетеді. Осындай категорялы қайнар көздері грунт бойымен өтетін жылу ағыны сіңірілмейтін глина пласттарының изоляцияланған қамауда қалатын орналасқан.

Мұндай жерлердегі судың температурасы 150⁰С-180⁰С дейін жетеді, ал қысымы скважинаның басында 28-56МПа дейін жетеді. 

 

 

ІІ тарау.  Үй жануарлаының экскременттерінен бөлінетін биогаздың құрамы