Атмосферамен алмасатын жылу

Презентация қосу

Күн энергетикасы туралы
жалпы түсінік.
Жоспары
1. Күн сәулесі ─ тіршілік көзі.
2. Күн энергиясын тұрғын үйлерлі
жылыту және ауаны тазарту үшін
пайдалану.
3. Күн энергиясын шоғырландыру туралы
негізгі түсініктер.
4. Күннің жарық қуаты.
5. Күндегі энергия өндіру процестері.
1. Күн сәулесі ─ тіршілік көзі.
Энергия ─ өндірісті, ауыл шаруашылығын, транспорт пен үй
шаруашылығын энергиямен қамтамасыз етуді көздейтін
техниканың ірі және күрделі саласы.
Халықтардың экономикалық жағдайлары мен өмір сүруінің
жақсаруы тікелей энергетикаға байланысты. Осыған орай
энергияны пайдалану өте үлкен шамаға жетіп отыр. Ғалымдардың
есептеуінше, жер жүзі халықтарының пайдаланатын
энергиясының 80 пайызы минерал отындардан (торф, көмір, газ),
ал 20 пайызы гидроэлектростанциялардан өндіріледі. Халықтарды
қажетті энергиямен қамтамасыз етіп отыру үшін энергия өндіруді
әр жылы 5-7 пайызға арттырып отыру қажет. Энергияның өсуі тек
қана минерал отындардан өндірілсе, онда олардың қазіргі қоры
тарихи аз уақытта таусылар еді. Энергияның өсуі жаңадан
табылған энергия көздерінен өндірілсе, әлгі минерал отындардың
қоры көп жылға созылар еді және оларды химиялық зат ретінде
пайдаланудың мүмкіндіктері ашылар еді. Сондықтан жаңа энергия
көзін ашу дүние жүзі ғалымдарының ежелгі мақсаты болып келеді.
Мұндай энергия көздері табылып та жатыр. Соның бірі ─ атом
ядросы ішінен зор қуатпен бөлініп шығатын атом энергиясы. Бірақ
ертелі-кеш минерал отындардың қоры таусылатыны сияқты, жер
қыртысындағы радиоактивті элементтердің де қоры таусылады.
Одан басқа, атом энергиясын пайдаланғанда көп мөлшерде
атмосфера тазалығы бұзылады. Соңғы уақытта атмосфераны
табиғи күйінде сақтаудың өзі проблемаға айналып отыр.
Дегенмен, қоры таусылып бара жатқан энергия көздерінің орнына
жылу шығарғыштық қабілеттілігі мол қуаттың жаңа түрлері
табылатындығы даусыз.
Шын мәнінде, таусылмайтын энергияны бізден 150 миллион
километр қашықтықта орналасқан Күн бере алады. Жер
атмосферасының беткі қабатына, күн радиациясының
миллионнан бір бөлігінің жартысы ғана түседі, оның 40 пайызы
кері космос кеңістігіне шағылады, ал қалған 60 пайызы
атмосферада жұтыла отырып, жер бетіне келіп жетеді. Жер
бетіндегі күн энергиясының қуаты 600-800 Вт/м2 болса, космоста
(жер орбитасында) ─1-1,5 кВт/м2-қа жетеді. Жер бетіне жылына
түсетін күн энергиясының шамасы 58·1016 кВт-сағ.-қа тең.
Жер мен күн арасындағы жылу балансын салыстыру үшін
ең үлкен өлшем бірліктер алынады, оны былай белгілейік:
Q─1021 Дж─ 300.000 млрд/кВт.сағат энергия.
Әр жылы жер бетіне 2780 Q күн энергиясы түседі. Ол
энергия төмендегі кестеде көрсетілгендей таралады.
1. Күннен жер бетіне түскен энергия 2780
2. Атмосферамен алмасатын жылу 280
3. Булануға кеткен жылу -1300
4. Жерден кеңістікке таралатын жылу -1200

Жер минутына 40 мың миллион литр суды қайнататындай жылу
алады. Күн ─ жер бетіндегі барлық биологиялық, физикалық-
химиялық құбылыстардың негізі. Қазіргі заман астрономдары мен
астрофизиктері:"Күн басқа планета бетіндегі тіршіліктің де көзі"
деген пікірді теріске шығармайды.
Күн энергиясын пайдалануды зерттейтін жылу-энергетика
ғылымының саласын ─ гелиотехника деп атайды.
Гелиотехника проблемасымен ғалымдар ғасырлар бойы
айналысып келеді, ал олардың негізгі ойлары мен идеялары
іс жүзіне асырылумен қатар жаңа идеялар туып,
гелиотехниканың салалары көбейіп келеді. Осыған
байланысты, американ инженері Дж.Эриксон былай дейді:
«Архимед рычагтың жәрдемімен жерді көтермекші болды.
Мен, күн жылуын шоғырландыра отырып, жердің қозғалысын
бірден тоқтата алатындай күшті алуға болатынын
қуаттаймын». Осыдан барып: не себепті күн энергиясын
пайдалану соңғы уақытқа дейін іс жүзінде кеңінен
пайдаланылмай келеді? ─ деген заңды сұрақ туады. Бұл
сұрақтың жауабын оқымыстылар, біріншіден, былай
түсіндіреді:соңғы уақытқа дейін,дүние жүзі бойынша
пайдаланатын энергияның мөлшері, жер қыртысында
орасан көп қоры бар отындар таусылып қалатын
қорқынышты халге жете қойған жоқ.
Күн ядросы ─ үлкен қысыммен жоғары температураға ие
болатындықтан ядролық энергияның бөлініп шығуына қолайлы
жағдай жасайды.
Күн ядросында протон-протонды ядролық реакция жүріп
жатады, яғни сутегінің 4 атомы гелий атомын құрайды. Осы
ядролық реакцияның нәтижесінде Күн әлем кеңістігіне орасан
зор энергия бөліп шығарады. Бейнелеп айтқанда, Күн үнемі
қайнап жататын қазан. Оның үстіңгі қабатының температурасы
6 000 0C, ал ішкі қабатының температурасы 20 000 000-де
ядролық реакция кезінде 1 грамм зат 2·1013 калория жылу бөліп
шығарады, ал бұл жылу 200 000 тонна тас көмірді жағу арқылы
өндірілетін жылу мөлшеріне тең.
Міне, осындай жер үшін күн ─ ең сенімді энергия көзі болып
табылатындығы көрінеді. Бұл энергия жер шарындағы ядролық
отындардан өндірілетін энергиядан 7 есе көп. Күн сәулесінің
бағытына перпендикуляр қойылған бет, көлбеу орналасқан
бетке қарағанда Күн сәуле энергиясын көп қабылдайтыны
белгілі. Астрономия және геофизикада «Күн тұрақтысы» деген
термин қолданылады, бұл энергия мөлшерін сипаттайды.
Бұл энергияның мөлшері жер атмосферасынан тысқары күн
сәулесінің бағытына перпендикуляр орналасқан 1см 2 ауданға 1
минутта келіп түсетін энергияға тең. Басқаша айтқанда, 1 м 2
ауданға келіп түсетін күн энергиясы 600 Вт-қа тең. Жер бетіне
келіп түсетін күн энергиясы адамзаттың энергия тұтыну
қажеттілігінен бірнеше артық болар еді. Күн сәулесінің жылулық
энергиясы жер үстінде жел пайда болуына себеп болады. Жер
бетінде пайда болатын жел энергиясының жылдық мөлшері
мұнай қорының өндіретін энергиясынан екі есе артық. Жер
шарында қайта жаңаратын энергиялық ресурстардан басқа да
энергия көздері бар. Бұған жел энергиясынан 500 есе артық
мұхиттардағы су деңгейінің көтерілу және қайтуы кезіндегі
энергиясы жатады.
Күн және жел энергиясын өндірісте кең түрде пайдалануды
жақтаушылар бұл энергия «тегін» деп есептейді. Шындығында
осылай ма?
Күн және жел энергиясын, механикалық немесе энергияның
басқа түріне айналдыру үшін «түрлендіргіш» қажет.
Енді гелиотехника тарихына үңілейік. Ең алғаш
күн сәулесінің жәрдемімен жұмыс істейтін қондырғы
біздің заманымызға дейінгі 1455 жылы салынған.
Аменофис III ескерткішінде қолданылғаны белгілі.
Күн шығысымен оның сәулесі ескерткіш ішіндегі
ауаны жылытады, жылыған ауаның көлемі ұлғайып
дыбыс шығатын органнан өтеді де, күннің шыққанын
халыққа адамша дауыстап хабарлайтын болған.
Архимед жаудың Сиракуз аралында орналасқан
кемесіне, көптеген жазық айналар жәрдемімен күн
сәулесін шоғырландырып, оны өртеп жіберегендігі
туралы аңыз бар. Француз ғалымы Бюффон осы
келтірген Архимед тәжірибесін жасап, 10 метрлік
қашықтықта орналасқан кебу ағаш отынды өртеуге
болатынын көрсетті.
Күн энергиясын тұрғын үйлерлі жылыту және ауаны
тазарту үшін пайдалану.

Тұрғын үйлерді күн энергиясымен жылыту тәсілдері көп. Күн
энергиясын аккумуляциялау үйлердің түстік жағын шыны
қабырғалармен қаптау, орталық су ысытқыш жүйелердің орнына су
жылыту үшін айналы құбырлар орналастыру т.б. жолдары сан
алуан. Күн энергиясымен тұрғын үйлерді жылыту және
салқындатқыш жобаны алғаш рет В.М.Морзе ұсынды. Бұл жобаның
негізі ─ күн қыздырғыш қондырғысының жәрдемімен сыртқары
ауаны қыздырып, конвекция құбылысы арқылы қыздырылған ауа
жылынатын орындарға беріледі. 1889 жылы Талье бөлмені
салқындату және ондағы ауаны тазарту үшін аммиак ерітіндісін
«жылу жәшігі» деп аталған қондырғыдан өткізу арқылы жоғары
қысымда салқындату жүйесін қолдануды ұсынды.
Күн энергиясын «жылу насосымен» бірге тұрғын үйлерді
жылыту мақсатында қолданудың ғылыми негізін алғаш рет Москва
ауыл шаруашылық институтының профессоры В.А.Михельсон 1930
жылы ұсынды.
Жаз айларында күн энергиясы қыздырылатын үйдің
төбесіне оңтүстік бағытта орналастырылған күн қыздырғыш
қондырғысында сіңіріледі. Қондырғыға су насос арқылы беріліп,
жылу аккумуляторы болып табылатын бассейнге құйылады.
Жағып жылытатын маусымның алғашқы басталуында
бассейндегі су 60-70 0C-қа дейін жылытылады. Жағып
жылытатын маусымның басталу кезінде бассейндегі судың
температурасы тікелей оны жылыту үшін қолдануға жарайтын
дәрежеде болады. Дегенмен үйдің жылулық қажеттілігін өтеуіне
байланысты судың температурасы төмендей береді, осы кезде
бассейн-аккумулятордағы су жылуын жоғары температуралы
жылу тасымалдағышы бар қыздыру жүйесіне жалғастыратын
жылулық насос іске қосылады. В.А.Михельсонның жүргізген
зерттеулері бойынша, ең жақсы жылу сақтағыш ─ су, ал үлкен
көлемдегі қондырғылар үшін жердің тереңірек қабатындағы
топырақты пайдалануды ұсынды. Михельсонның жобасы
техникалық жағынан күрделі және экономикалық жағынан
негізделмегендіктен іс жүзіне аспай қалды.
1931 жылы В.Б.Вейнбергтің жобасы бойынша (Қапламбекте) күн
энергиясымен жылынатын шағын гелиотехникалық лаборатория
салынды. Мұнда тіпті қыстың аязды күндері, күн ашық болған кезде,
үйдің температурасы қалыпты дәрежеде ұсталады.
Күн энергиясы жәрдемімен жасанды суытқыш жасау мүмкіндігін
1938 жылы Л.М.Розенфельд пен Б.В.Петухов экспериментальды
түрде дәлелдеді. 1939 жылдан бастап еліміздің көп жерлерінде күн
энергиясымен үйлерді жылытатын қондырғылар салына бастады. Бұл
қондырғылардың бір-бірінен өзгешелігі «жылулық жәшік» деп
аталатын гелиоқондырғыны аккумулятормен, түрлі тәсілдермен бірге
пайдалануында болды. Ұзаққа созылған суық және бұлыңғыр күндері
отын жағып қыздырылатын көмекші қондырғымен жалғастырылады.
Жылу жинағыш материал арнайы жасалған бөлмелер аралығына
қондырылған бак аккумуляторға орналастырылады. Жылу
тасымалдағыш есебінде ауаны пайдаланады.
1954 жылы Д.М.Щеголов күн энергиясын шоғырландырғыш жүйе
арқылы (параболалы концентратор) үйлерді жылытуға болатын схема
ұсынды. Жаз айларында шоғырланған энергия абсорбциялы
суытқыштардың жәрдемімен үйлерді салқындатуға және қыздыруға су
жылыту қажеттігіне жұмсалады.
Бес жылға созылған эксперименттің нәтижесі бойынша «күн үйінде»
қыс айларының өте суық күндерінде температура 15,5 0С-тан
төмендемеген, ал жаз айларының өте ыстық күндерінде бөлменің
температурасы 20,5 0С-тан жоғарыламаған.
Жылулық насоспен жұмыс істейтін күн-су ысытқыш қондырғысы
орнатылған үйлерде күн сәулесі энергиясынан алынған жылуды қыс
айларында үйлерді жылыту, ыстық су қажеттілігін өтеу және жаз
айларында бөлмелерді салқындату үшін пайдаланады.
Абсорбциялы суытқыш машиналармен жұмыс істейтін күн-су
ысытқыш қондырғымен қамтамасыз етілген үйлерде күн сәулесі
энергиясынан алынған жылу негізінен ауаны құрғату және
салқындату мақсатында жұмсалады.
Отын жағатын көмекші құралы бар күн-су ысытқыш
қондырғымен қамтамасыз етілген үйлерде күн сәулесінен
өндірілген жылу бөлмелерді жылытуға және ыстық су қажеттілігін
өтеуге жұмсалады.
Бұл айтылғандардан біз күн энергиясын үйлерді жылыту және
салқындату мақсатында қолдану гелиотехникадағы перспективалы
бағыт екендігін көреміз.
Күн энергиясын шоғырландыру туралы негізгі түсініктер.

Күн энергиясын пайдалану мынадай бағытта жүріп жатыр:
1) күн-энергетикалық қондырғыларын жасау және оны зертеу;
2) күн энергиясын басқа энергияға айналдыру және оны аккумуляциялау;
3) күн энергиясын жоғарғы температура саласында пайдалану;
4) күн энергиясын космос кеңістігін зерттеуде қолдану;
5) күн-жылу қондырғыларын жасау және оны зерттеу;
6) күн радиациясын биологияда және медицинада пайдалану.
Енді осы бағыттарда кейбір жасалынған қондырғыларға және
зерттелінген мәселелерге қысқаша тоқталайық.
Күн асханасы. Күн асханасының конструкциясы біздің елімізде
жасалынған және оның жұмыс істеу принципі төмендегіше: ойыс айнаның
бетіне түскен күн сәулесі кері шағылысқан соң оның фокусында
орналасқан қазанның түбінде шоғырланады да оны қыздырады. Бұл қызу
қазан ішіндегі суды, ондағы асты (сорпа, ботқа, ет, т.б.) пісіреді. Ол
сағатына 5 л суды қайнатады (оның қуаты 900 Вт-тық электр плиткасынан
кем түспейді), ал жазды күні 4-5 адамы бар шағын семьяның тамақ
пісіруіне жетерлік энергиямен қамтамасыз ете алады. Тамақ пісіргенде
ешқандай түтін шықпайды, тамақ таза піседі.
Күн энергиясын түрлендіру. Күн энергиясын тікелей электр
энергиясына айналдыру кремний күн батареясы арқылы іске
асырылады. Осы уақытқа дейін күн батареясы космосқа ұшқан
аппараттарды және транзисторлық радиоқабылдағыштарды
энергиямен қамтамасыз етіп келгені белгілі. Сондықтан ауыл
шаруашылығында қуаты бірнеше жүз кВт-қа тең күн
электростанциясын салу белгілі дәрежеде техникалық жаңалық
болып саналады. Мұндай станцияда көмір, газ, керосин, т.б.
отындар пайдаланылмайды, күннің «тегін» энергиясы
қолданылады. Күн электр станциясының жобасы Бүкілодақтық ток
көздері институтында жасалынды. Оның жұмыс істеу принципі
төмендегіше: цилиндрлік ойыс айнаға түскен күн сәулесі кері
шағылып, оның фокусында орналасқан фотобатареяға келіп
шоғырланады, ол күннің энергиясын электр энергиясына
айналдырады. Айнаның ауданы 12м2, ал фотобатареянікі ─3,6 м2
тең. Осыдан алынған электр энергиясы құдықтан су тартатын
«Кама» насосын жұмысқа қосады. Cонымен күн энергиясын электр
энергиясына айналдырып тереңдігі 15 м-ге тең құдықтан сағатына
1,5 м3 су тартылады.
Күн энергиясын басқа энергияға айналдыру мынадай әдістер
бойынша іске асады:
а) термоэлектрлік әдіс бойынша:
күн энергиясы жылу электр энергиясына;
б) механикалық әдіс бойынша:
күн энергиясы жылу механикалық энергиясына;
в) фотогальвоникалық әдіс бойынша:
күн энергиясы химиялық энергияға, электр энергиясына;
г) фотоэлектрлік әдіс бойынша:
күн энергиясы электр энергиясына.
Келтірілген әдістерден ең тиімдісі фотоэлектрлік әдіс болып
саналады, өйткені күн энергиясын тікелей электр энергиясына
айналдырады. Бірақ бұл бойынша жарық энергиясын электр
энергиясына өзгертетін фотоэлектрэлементтердің п.ә.к. 10%
аспайды. Сондықтан фотоэлементтерді өндірісте генератор
ретінде қолдану шектеліп қалып отыр.
Генераторлар.Енді энергияны бір түрден екінші түрге айналдыратын
генераторлардың (немесе өзгерткіштердің) түрлерімен танысамыз.
Адам баласы өмір сүргелі электрлік, механикалық, жылу және жарық
энергияларын пайдаланып келеді. Осыған орай өзгерткіштерді,
генераторларды мынадай төрт топқа бөлуге болады:
1.Жарық генераторлары. Бұған жататындар: химиялық, ядролық,
жылулық ( электр лампалары, керосин шамы, т.б. ) лазерлер т.б.
2.Электрогенераторлар. Бұған жататындар: химиялық
(аккумуляторлар, гальвани элементтері), ядролық батареялар,
реакторлар, жарық фотоэлементтері, магнетрондар, термоэлектрондық
және термоэмиссиондық өзгерткіштер, әр түрлі механикалық
машиналар, магнитогидродинамикалық өзгерткіштер.
3. Механикалық энергия генераторлары ─ қозғалтқыштар. Бұл топқа
жататындар: жұмыс істейтін двигательдер, қозғалтқыштар, газ қызғанда
оның ұлғаюын пайдаланып жұмыс істейтін қозғалтқыштар, күн желкені,
механикалық қозғалтқыштар.
4. Жылу генераторларына ─ химиялық пештер, жану камералары,
жылу беретін термоядролық реакторлар, жоғары жиіліктегі
электромагниттік қондырғылар, күн пеші, кванттық генераторлар, электр
пеші, әр түрлі қазандар, тормоздық қондырғылар жатады.
Күннің жарық қуаты.

Күннің қанша энергия бөле алатындығы бізге қалай
белгілі болды?
Астрономдар мен геофизиктер күннің тұрақты
энергиясының мөлшерін анықтау бір жарым ғасыр уақыт
бойы ізденуге мәжбүр болды. Күннің тұрақты қуаты деп
жер атмосферасынан тыс Күн мен Жердің
арақашықтығының қақ ортасына күн сәулелеріне
перпендикуляр орналасқан көлемі 1 см2 алаңға белгілі бір
уақыт ішінде түсетін күн сәулесінің әр түрлі ұзындықтағы
барлық толқындарының энергиясының мөлшерін анықтау
оңай шаруа сияқты болып көрінуі мүмкін. Іс жүзінде олай
емес. Бұл мөлшерді анықтау жолында зерттеуші адам екі
бірдей қиындыққа кез болады.
Күннің тұрақты қуатын анықтауға жердің атмосферасы да
кедергі жасайды. Атмосфера кез келген сәуленің күшін әлсіретеді,
ол толқынның ұзындығына өте тәуелді. Көк және күлгін сәулелер
қызыл сәулеге қарағанда көбірек әлсірейді, ал ультракүлгін
сәулелердің қуаты бәрінен де көп әлсірейді. Толқынының
ұзындығы 300 нм-ден кем сәулелерді жер атмосферасы ұстап
қалады, ал инфрақызыл сәулелердің негізгі бөлігін мүлдем
өткізбейді. Сонымен бірге атмосфераның оптикалық қасиеті, тіпті,
бұлтсыз ашық күннің өзінде тұрақсыз.
Түрлі ұзындықтағы толқындардың сәулесі атмосферадан
өтерде әр түрлі мөлшерде әлсірейтіндіктен, сондай-ақ
спектрлерге бөлінбеген, толқындары әр түрлі ұзындықтағы
сәулелерді тіркеуге арналған пиргелиометр сияқты приборлар
арқылы мөлдірлік коэффициентін табу мүмкін емес. Сондықтан да
спектрометрлік прибор ауадай қажет болып табылады. Бұндай
приборлар біз атмосфера мөлдірлігі коэффициентінің белгілі бір
ұзындықтағы толқындарға жекелей әсерін анықтай аламыз. Міне,
осыдан кейін барып атмосферадан өтпей қалған сәуле қуатын
пиргелиометр анықтаған көрсеткіштерге қосуға болады.
Күндегі энергия өндіру процестері.
Күннің бізге көрініп тұрған жағының сыртқы қабатындағы
температура 6000 К-ға жақын, яғни күн вольттің доғасының ең қайнап
тұрған кратеріндегі температурадан 2000 К-ға ыссырақ. Күндегі
барлық заттар, олардың өте қиын балқитындары да газға айналған,
тіпті иондану күйіне жеткен. Күнді ─ орасан зор плазмалық шар деп
атауында да әділдік бар.
Протон-протонды реакцияның бірінші бөлігі екі протон түйісіп,
дейтрон құралған кезі — баяу өтеді. Бұл жағдайда олардың бірі
өзінен позитрон мен нейтриноны шығарып жіберіп, нейтронға
айналады. Бұл процесс β-ыдырауға жатады, яғни әлсіз
әрекеттестік қатарына жатады. Негізгі бөлшектің немесе ядроның
тыныштық кездегі массасы жаңадан пайда болған бөлшектердің
тыныштық кездегі массасынан көп болған кезде β-ыдырау жеңіл
және тез өтеді. Пайда болған бөлшектердің кинетикалық
энергиясы негізгі бөлшектің артық массасын өзімен бірге ала
кетеді. Бұған мысал ретінде нейтронның (массасы 1,008665 м.а.б.)
антинейтриноны шығарып жіберіп протон (массасы 1,007276
м.а.б.) мен электронға (массасы 0,000549 м.а.б.) β-ыдырауын
келтіруге болады. Ядроға бірікпеген нейтрондар қалыпты
жағдайда табиғатта кездеспейді, өйткені жоғарыда көрсетілгендей
олар тез ыдырап кетеді (нейтронның жартылай ыдырау мерзімі
12,8 мин).
Протонның нейтронға айналатын кері процесі қалыпты
жағдайларда өтпейді: протон өзінің бостандық жағдайында мәңгі-
бақи өмір сүре береді. Ал Күнде бұл құбылыс еріксіз өтеді, өйткені
ол екі протонның энергиясы аз системаға айналуына байланысты.

Ұқсас жұмыстар

Жер геосфералары

Топырақтың жылулық қасиеттері мен құбылымдары

ТАМАҚ ӨНІМДЕРІН ӨНДІРУДЕ ШИКІЗАТТЫ ӨҢДЕУДІҢ САЛМАҚ АЛМАСУ ҮДЕРІСТЕРІ

Қарым қатынас стратегиясы

Литосфералық мантия қабаты жер қыртысынан

Табиғи ресурстар Литосфера, Гидросфера, Атмосфера және оларды өндіріс үшін пайдалану

Өсімдік органикалық қалдықтары

Дауыс перделері ажыраған күйде

ЖШС мысалында ауыл шаруашылығы жерлерінің агрохимиялық жай - күйін бағалауды ақпараттық қамтамасыз ету

ЖЫЛУ АЛМАСУ ҮРДІСТЕРІ ЖЫЛУ АЛМАСТЫРҒЫШ

Пәндер