Гравитациялық энергияның көмегімен энергияны сақтау

Қазақстан Республикасы Білім және ғылым министірлігі Шымкент қаласы

«Физика-математика бағытындағы Назарбаев Зияткерлік мектебі»

ТАҚЫРЫБЫ:

“Гравитациалық акумулятор арқылы электр энергиясының тапшылығын төмендету”

Бағыт: Физика

Орындаған: Ерментай Нұрхан, Тəліп Бексұлтан

Жетекшілері: Ахметов Сакен Абдиганиұлы

Абуов Ербол Әбдигаухарович

Мектептің мекен жайы: Шымкент қаласы, Ақжайық ы/а, Элитный городок, ғимарат 6. 8 (7252) 29-44-88

Шымкент 2023 жыл

1

Аннотация 4

Кіріспе 5

1. Зерттеудің теориялық бөлімі 7
2. Зерттеу бөлімі 8Қазақстанда өндірілетін электр қуаты 8Шымкент қаласындағы энергия тапшылығының негізгі себептері 9Қазақстанда және әлемде энергия тапшылығын қалай шешуде? 9
3. Гравитациялық энергияның көмегімен энергияны сақтау 10Гравитациялық аккумулятордың ПӘК-ін есептеу. 10Гравитациялық аккумулятордың көмегімен қанша электр қуатын сақтауға болатын есептеу. 11Ауыр жүктерді көтеру үшін энергияны қайдан аламыз? 12Гравитациалық аккумулятор құрылымы жұмыс жасау принциптері 13

Қорытынды 15

Зерттеу күнделігі 16

Пайдалынылған әдебиеттер тізімі 17

АННОТАЦИЯ

Бұл ғылыми жобада біз гравитациялық аккумуляторларды олардың техникалық сипаттамаларын, экономикалық орындылығын және қолдану перспективаларын талдай отырып, кең көлемде зерттеуді ұсынамыз. Сондай-ақ, біз бұл технологияның энергияны сақтаудың басқа нұсқаларымен қалай салыстыратынын қарастырамыз және оның желі тұрақтылығы мен тиімділігін арттырудағы әлеуетін зерттейміз.

АННОТАЦИЯ

В данном исследовательском проекте мы предлагаем комплексное исследование гравитационных аккумуляторов, анализ их технических характеристик, экономической целесообразности и перспектив применения. Мы также рассмотрим, как эта технология сравнивается с другими вариантами хранения энергии, и исследуем ее потенциал для повышения стабильности и эффективности сети.

ANNOTATION

In this research project, we propose a comprehensive study of gravity accumulators, analyzing their technical characteristics, economic feasibility and application prospects. We also look at how this technology compares to other energy storage options and explore its potential to improve grid stability and efficiency.

Қазіргі әлемде климаттың өзгеруі сын-қатерлеріне және тұрақты энергия көздеріне көшу қажеттілігіне тап бола отырып, энергияны тиімді сақтау және тарату мәселелері өзекті бола түсуде. Осы тұрғыда энергетикалық мәселелерді шешу және тұрақты электр энергия көзін қамтамасыз ету үшін жаңа технологиялар белсенді түрде әзірленуде.

Осындай инновациялық тәсілдердің бірі гравитациялық аккумулятор болып табылады. Гравитациялық аккумулятор - энергияны сақтау және түрлендіру саласындағы перспективті технология, ол Жердің гравитациялық өрісінен тундайтын потенциалдық энергияны пайдалануға негізделген.

Мәселе: Соңғы жылдардағы Қазақстандағы энергия тапшылығының әсерінен электр тогының жиі өшіп қалуы.

Зерттеу жұмысының өзектілігі : Бұл жұмыстың өзектілігі, осы күнге дейін толығымен шешімін таппаған электр энергиясын сақтайтын қондырғы арқылы Қазақстандағы және әлемдегі энергия тапшылығын төмендету. Гравитациялық аккумуляторды зерттеу анағұрлым тұрақты және экологиялық таза энергетикалық инфрақұрылымды құру жолындағы қадам болып табылады және біз бұл зерттеудің нәтижелері осы технологияны дамытуға және оны бүкіл әлем бойынша практикалық жобаларға енгізуге ықпал етеді деп үміттенеміз.

Зерттеу жұмысының мақсаты : Бұл ғылыми жобаның мақсаты гравитациялық аккумулятордың прототипін жобалау, құрастыру және сынау, сондай-ақ оның тиімділігін, құнын және экологиялық тұрақтылығын зерттеу болып табылады. Біз энергияны сақтаудағы өзекті мәселелерді шеше алатын және тұрақты энергия көздеріне көшуге үлес қоса алатын инновациялық құрылғы жасауға ұмтыламыз.

• Қазақстандағы өнірілетін энергия қуатын және қажетті энергия мөлшерін зерттеу;
• Қазақстандағы энергия тапшылығының негізгі себептерін зерртеу;
• Электр энергиясын сақтауға мүмкіндік беретін «Гравитациалық аккумулятор» моделін жасап шығару;
• Қажетті бақылаулар мен өлшеу жұмыстарын жүргізу;
• Алынған мәндерге талдау жасау;
• Зерттеу нәтижесі бойынша модельді жетілдіру;
• Қорытынды

Зерттеу жұмысының орындалу орны: Бұл ғылыми жоба жұмысы Оңтүстік Қазақстан Педагогикалық университетінің физика кафедрасының доценті, физика-математика ғылымдарының кандидаты Б. Қ. Рахашев ағаймен тығыз байланыста орындалды.

Зертеу жұмысының құрлымы: Жұмыс кіріспеден, ғылыми жұмыстың зерттеу бөлігіне жүйеленген тараулардан және қорытындыдан тұрады.

Гравитациялық аккумулятор - гравитациялық потенциалдық энергияны пайдаланып энергияны сақтауға және кейіннен босатуға арналған құрылғы. Негізгі идея массаның биіктікке көтеріп, содан кейін төмен түсіру. Массаның қозғалысы нәтижесінде пайда болатын кинетикалық энергия генератордың көмегімен электр энергиясына айналады. Гравитациялық аккумуляторлар бірнеше маңызды мәселелерді шеше алатын болашағынан зор үміт күтетін технология болып табылады. Бұл жоба электр энергиясын тиімді сақтаудың экологиялық таза көзімен қамтамасыз ететін инновациялық гравитациялық аккумляторды зерттеуге, дамытуға және жасауға бағытталған.

Жаңартылатын энергияны сақтау: Гравитациялық аккумуляторлар күн панельдері мен жел турбиналары сияқты жаңартылатын көздерден өндірілетін энергияны сақтау құралы ретінде қызмет ете алады және тіпті жаңартылатын көздер энергия өндірмейтін болса да, тұрақты электр қуатымен қамтамасыз етеді.

• Жүктемені басқару: Гравитациялық аккумуляторларды электр желісіндегі жүктемелерді теңестіру үшін пайдалануға болады, бұл энергияны тиімдірек пайдалануға және шамадан тыс жүктелу қаупін азайтуға мүмкіндік береді.
• Қуат жүйесінің тұрақтылығын арттыру: Бұл құрылғылар электрмен жабдықтаудың сенімділігі мен тұрақтылығын арттырып, электр қуатын өшіру мәселесін шешуге көмектеседі.
• Дәстүрлі энергия көздеріне тәуелділікті азайту: Гравитациялық аккумуляторлар қазба отындарына тәуелділікті азайтып, тұрақты қуат көздеріне өтуге көмектеседі.

Гравитациялық аккумуляторлар ұзақ уақыт бойы үлкен көлемдегі энергияны сақтау үшін қолданылады және олар электр желісіндегі жүктемелерді теңестіру, ең жоғары сұранысты басқару және жаңартылатын энергия көздерін біріктіру үшін пайдаланады.

Гравитациялық аккумулятор жобасы әлемді өзгертуге және оны тұрақты, тиімді және экологиялық таза етуге мүмкіндік береді.

Қазақстан Республикасы Энергетика министрлігінің деректері бойынша 2023 жылғы 30 қыркүйектегі жағдай бойынша Қазақстанда 224 электр станциясы жұмыс істейді. Солардың көмегімен орташа 109 млрд кВт*сағ электр энергиясы өндіріледі. Келесі диаграммада электр станцияларының түрлері көрсетілген:

Қазақстандағы электростанциялар саны

8%

5%

26%

61%

ТЭС -136 ГЭС -59 ВЭС -12 СЭС -17

1. сурет. Қазақстанда жұмыс жасайтын элетр станцияларының түрлері.

2-суретте Түркістан облысындағы электр станциялардың түрлері мен саны көрсетілген.

Түркістан облысындағы электростанциялар

саны

3%

6%

36%

55%

ТЭС -11 ГЭС -17 ВЭС -1 СЭС -2

2. сурет. Түркістан облысындағы электростанциялардың түрлері.

Шымкент қалалық энергетика басқармасының мәліметінше, соңғы үш айда 2023 жылдың 1 шілдесі мен 30 қыркүйегі аралығында қалада электр қуаты 162 рет үзілген. Оның 127-сі жоспарлы болса, 35-і жоспардан тыс тоқтатылды.

Электр желілеріне жөндеу жұмыстарын жүргізу үшін жоспарлы үзілістер жүргізілді. Олар бірнеше сағаттан бірнеше күнге дейін созылды.

Шымкенттегі электр қуатының тапшылығының бірнеше себептері бар, соның ішінде:

• Электрлік апаттар. 2023 жылы Шымкентте 27 рет электр қуаты өшіп, соның салдарынан қаланың барлық аудандары электр қуатынан ажыратылды.
• Электр қуатының жетіспеушілігі. 2023 жылдың тамыз айында Шымкентте Шардара су қоймасындағы су деңгейінің төмендеуіне байланысты бірнеше күн бойы электр қуаты тапшылығы орын алды.
• Электр желілеріне жүктеменің артуы. Шымкент қаласы Қазақстанның қарқынды дамып келе жатқан қалаларының бірі. Соңғы жылдары қалада электр энергиясын тұтыну жылына 10-12 % -ға өсіп келеді. Бұл халық санының өсуіне, өнеркәсіп пен құрылыстың өсуіне, сондай-ақ тұрмыстық техниканың энергия тұтынуының артуына байланысты. 2023 жылдың қыркүйегінде Шымкентте суықтың басталуына байланысты электр энергиясын тұтынудың артуына байланысты электр желілеріне жүктеменің артуы байқалды.

Шымкентте соңғы үш айда орташа есеппен тәулігіне 2 сағатқа электр қуаты өшіп қалған. Алайда кей күндері үзілістер 12 сағаттан астам уақытқа созылды.

Осы кешкі уақыттағы энергияға сұраныстың жоғарғы кезінде гравитациялық аккумуляторларды пайдалану арқылы сақталған энергияны қолдану электр желілеріне жүктемені төмендетуге көмектесер еді.

шешуде?

Электр энергиясына деген сұраныстың артуы тек Қазақстанда емес бүкіл әлемде кездесетін проблемалардың бірі. Себебі, адамзаттың көбейіп, әлемдік экономиканың өсуі алдарынан завод, фабрикалар мен тұрмыстық

тұтынушылардың саны артып келеді. Төмендегі 3-суреттен электр энергиясына деген сұраныстың жыл сайын 15%-ға артып жатқанын көруге болады. ( дерек көз: Navigant Research, 2016. )

3. сурет. Әлемдік электр энергиясын тұтыну деңгейі.

Сондықтан да кейбір елдер электр қуатының күндізгі және түнгі тұтынуының тепе-теңдігін сақтау үшін әр-түрлі шаралар іздестіруде. Мәселен, Қазақстанда 2019 жылға дейін завод, фабрикаларды түнгі режимде жұмыс жасауға ынталандыру үшін түнгі тарифті 4 есе төмен бағамен беріліп келді. Бұл шешімдер айтарлықтай нәтиже бермеді. Ал, Финляндияда түнгі және күндізгі тарифдердің айырмашылығы 100 есе, алайда мұндай жеңілдіктің өзі барлық компанияларды түнгі режимге ауыса алмауынан энергетикалық тепе-теңдік орната алмай отыр.

Жасап шыққан құрылғымыздың тиімділігін тексеру үшін келесі есептеулерді жүргіздік:

Массасы 3, 3 кг жүкті 1, 6 м биіктікке көтеру үшін кернеуі 9 В, ток күші 0, 2 А батареяны пайдаландық. Жүк биіктікке 36 с-та көтерілді. Енді осы мәндерді пайдаланып құрылғының көтеру сәтіндегі ПӘК-ін анықтап алдық:

Бер: 𝐼 = 0. 2 𝐴

𝑈 = 9 𝐵 ℎ = 1. 6 м

𝑚 = 3. 3 кг

𝑡 = 40 с

𝜂−?

Шешуі:

Апайдалы

𝑚𝑔ℎ

3. 3 ∗ 9. 81 ∗ 1. 6

𝜂 ₁ =

Атолық

∗ 100% =

𝑈𝐼𝑡 ∗ 100% =

9 ∗ 0. 2 ∗ 36 ∗ 100% = 79. 9%

Осы тәжірибені массаларын өзгерту арқылы және ток пен кернеуді өзгерту арқылы бірнеше рет қайталадық.

𝜂 ₂ =

Апайдалы

Атолық

∗ 100% =

𝑚𝑔ℎ

𝑈𝐼𝑡 ∗ 100% =

3. 3 ∗ 9. 81 ∗ 2

9 ∗ 0. 2 ∗ 47 ∗ 100% = 76. 5%

𝜂 ₃ =

𝜂 ₄ =

Апайдалы Атолық Апайдалы Атолық

∗ 100% =

∗ 100% =

𝑚𝑔ℎ

𝑈𝐼𝑡 ∗ 100% =

𝑚𝑔ℎ

𝑈𝐼𝑡 ∗ 100% =

2. 5 ∗ 9. 81 ∗ 1. 6

9 ∗ 0. 2 ∗ 29 ∗ 100% = 75. 2%

2. 5 ∗ 9. 81 ∗ 1. 6

9 ∗ 0. 4 ∗ 14 ∗ 100% = 77. 9%

𝜂 ₅ =

Апайдалы Атолық

∗ 100% =

𝑚𝑔ℎ

𝑈𝐼𝑡 ∗ 100% =

2. 5 ∗ 9. 81 ∗ 2

9 ∗ 0. 3 ∗ 24 ∗ 100% = 75. 7%

𝜼 = 𝜼 _𝟏 + 𝜼 _𝟐 + 𝜼 _𝟑 + 𝜼 _𝟒 + 𝜼 _𝟓 = 𝟕𝟗. 𝟗 + 𝟕𝟔. 𝟓 + 𝟕𝟓. 𝟐 + 𝟕𝟕. 𝟗 + 𝟕𝟓. 𝟕

орт

𝟓 𝟓

= 𝟕𝟕%

Нәтижесінде төмендегі 1-кестеде көрініп тұр.

1-кесте. Гравитациялық аккумулятордың ПӘК-ін көрсететін есептеулер.

Келесі кезекте қанша электр энергиясын сақтауға болатынын есептеулер жүргізейік:

Біздің қолданатын платформамыз 60 тонна жұктерді 150 м биіктікке көтереді. Егер осындай жүктердің 1000 данасын қолдансақ қанша кВт/сағ электр қуатын сақтай алады екенбіз?

Бер: ℎ = 150 м

𝑚 = 6 кг

𝑁 = 1000

𝐴−?

Шешімі:

𝐴 = 𝑚𝑔ℎ = 6 ∗ 9. 81 ∗ 150 = 8829 Дж немесе 24. 525 кВт ∗ сағ

𝐴 _толық = 𝐴 ∗ 𝑁 = 24. 525 ∗ 1000 = 24525 кВт ∗ сағ немесе 24. 525 МВт*сағ Егер құрылғының ПӘК-ін ескерсек, онда:

𝐴 _{пайдалы} = 𝐴 _толық ∗ 𝜂 = 24. 525 МВт ∗ сағ ∗ 0. 77 = 18. 884 МВт ∗ сағ

Егер электр қуатының шектен тыс тұтынуы кезінде осы энергияны электр желісіне жіберсек жүктемені қалыпты жағдайға түсіруге көмектеседі деп есептейміз.

Шартты түрде есептесек шектен тыс жүктемес кезінде 5 адамнан тұратын жанұя мүшелері орташа 1. 5 кВт*сағ энергия қуатын артық тұтынады деп есептесек. Енді біздің сақтаған электр қуатын қанша жанұяға жеткізуге болатынын есептеп көрейік:

𝑁 = 18. 884 МВт = 12589 отбасы . Бұл дегеніміз шамамен 60 пәтерден

1. 5 кВт

тұратын 210 көпқабатты үйді электр энергиясымен қамтамассыз ете аламыз екен. Қажет болған жағдайда құрылымның биіктігін арттыру немесе қосымша жүктер қосу арқылы құрылғының сыйымдылығын 100 МВт*сағ- қа жеткізуге мүмкіндік бар.

Қазақстан Республикасы Энергетика министрлігінің деректері бойынша елімізде 59 - ГЭС және 1 - ЖЭС жұмыс жасайды. Осы электр станциялары табиғи энергия көздері су және желге тәуелді. Бұл энергия көздері күндіз де түнде де бірдей қуатпен электр энергиясын өндіруге қауқарлы. Түнгі уақытта (24:00 - 7:00 аралығында) энергия түтыну деңгейі күрт түсіп кетеді. Әлемдік статистикаға қарасақ күндізгі және түнгі энергия тұтыну деңгейін салыстырсақ 11 есеге дейін төмендейді екен. Бұл дегеніміз түнгі уақытта энергия өндірушілер станцияларының қуатын 11 есе төмендетуге ( мәселен: ГЭС-да суды бос жібереді) мәжбүр болады.

Түнгі уақытта су және жел электр станцияларының қуатын төмендетпей өндірілген энергияны жүктерді жоғары көтеру арқылы энергияны сақтауға қолдансақ, онда электр тапшылығы кезінде сақталған энергияны желіге жіберу арқылы энергетикалық тепе-теңдікті сақтауға мүмкіндік береді.

1. Ауыр жүк:бұл энергия жасау үшін биіктікке көтеріліп, түсірілуі мүмкін ауыр зат (бетон, су немесе басқа материал блоктары сияқты) ;
2. Биіктік:жүк жер деңгейінен немесе басқа тірек нүктесінен белгілі бір биіктікке көтеріледі. Биіктік жүйенің потенциалдық энергиясын анықтайды;
3. Көтеру және түсіру механизмі:Бұл энергияны сақтау және босату процесін басқару арқылы жүктемені көтеретін және төмендететін құрылғы немесе жүйе;
4. Генератор:Генератор қозғалатын жүктің кинетикалық энергиясын электр энергиясына түрлендіреді. Содан кейін электр энергиясын пайдалану үшін электр желісіне жіберуге болады.

• Артық электр қуаты немесе басқа қуат көзі болған кезде жүктеме биіктікке көтеріледі;
• Қосымша қуат қажет болғанда (мысалы, ең жоғары сұраныс кезінде) ауырлық күшінің әсерінен жүктеме төмендей бастайды;
• Түсу кезінде жүктің кинетикалық энергиясы генераторға беріледі, ол оны электр энергиясына айналдырады;
• Электр энергиясы электр желісіне түседі және оны әртүрлі құрылғылар мен жүйелерді қуаттандыру үшін пайдалануға болады.

Жоғарыдағы айтылған принциптерге негізделген гравитациялық аккумулятордың моделін жасап шығардық (4-суретте) . Біздің құрылғы ауыр

жүктен, биік платформадан, электроматор және редуктордан тұрады. Редукторды күштен ұтыс алу үшін қолданамыз (5-сурет) . Редукторды толығымен 3D принтерде басып шығардым.

4. сурет. Гравитациялық аккумулятордың моделі.

5. сурет. Редуктор.

Гравитациялық аккумулятор жобасы әлемді өзгертуге және оны тұрақты, тиімді және экологиялық таза етуге мүмкіндік береді. Біз өз зерттеулер мен есептеулер нәтижесінде ең жоғарығы сұраныс кезінде энергияны басқару арқылы электр энергиясына деген сұранысты қамтамассыз ете алатындығымызға көзіміз жетті. Себебі зерттеу барысында электр энергиясының жетіспеушілігі туліктің белгілі бір уақыттарында ғана сөніп отырған. Ол кешкі 20:00 мен 23:00 аралығында. Себебі, бұл уақыт аралығында көпшілік адамның үйінде электр тұтынушы құралдарын пайдаланғанынан желіге түсетін жүктеме күрт артады екен. Осы жүктемені төмендетудің жолдарын қарастырдық. Осы проблеманы шешудің отандық және әлемнің озық тәжірибелерін зерттеп көрдік. Қазіргі уақытта Түркістан облысы мен Шымкент қаласында бұл қиындықтан көрші елдер мен облыстардан электр энергиясын сатып алу арқылы шығып отыр. Соның өзінде энергия тапшылығынан 2023 жылы 27 рет электр тогын сөндіруге мәжбүр болған.

Біздің ұсынысымыз түнгі уақыттағы электр станцияларының қуатын төмендетпей түнде өндірілген энергияны «гравитациялық аккумулятор» арқылы сақтап қоямыз. Ең жоғарғы сұраныс кезінде сақталған энергияны желіге жіберу арқылы энергия тапшылығын төмендетеміз.

Алға қойған мақсатты шешу мақсатында гравитациялық аккумулятор моделі жасалып, сынақтан өткізілді. Сынақ барысында қондырғының пайдалы әсер коэффициентін (ПӘК) есептеу бойынша сынақ жүргізілді. Сынақ барысында құрылғының ПӘК-і 77%-ға тең екені анықталды. Бұл жақсы нәтиже. Алда ПӘК-ін жақсатру бойынша жұмыс жүргізуді жоспарлап отырмыз. Экономикалық тұрғыдан тиімділігін есептеу бойынша болжамдық есептеулер жүргіздік. Есептеулеріміз бойынша бір құрылғының көмегімен 100 МВт*сағ элетр энергиясын сақтауға болатынын және сол энергияны 400 мың халықы бар қаланы 3 сағат бойы электр қуатымен қамтамассыз ете аламыз.

Бұл құрылғы біздің зерттеулер мен есептеулеріміздің арқасында миллиондаған адамдардың үйін жарықтандыруға көмектесетін қондырғы екеніне сенімдіміз. Болашақта бұл құрылғыны жетілдіріп, Қазақстандағы электр өндірісіне енгізугізу арқылы халқымыздың әлеуметі мен экономикамызды көтеруге өз үлесімізді қосуды жоспарлап отырмыз.

---

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.

• Іс жүргізу
• Автоматтандыру, Техника
• Алғашқы әскери дайындық
• Астрономия
• Ауыл шаруашылығы
• Банк ісі
• Бизнесті бағалау
• Биология
• Бухгалтерлік іс
• Валеология
• Ветеринария
• География
• Геология, Геофизика, Геодезия
• Дін
• Ет, сүт, шарап өнімдері
• Жалпы тарих
• Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
• Журналистика
• Информатика
• Кеден ісі
• Маркетинг
• Математика, Геометрия
• Медицина
• Мемлекеттік басқару
• Менеджмент
• Мұнай, Газ
• Мұрағат ісі
• Мәдениеттану
• ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
• Педагогика
• Полиграфия
• Психология
• Салық
• Саясаттану
• Сақтандыру
• Сертификаттау, стандарттау
• Социология, Демография
• Спорт
• Статистика
• Тілтану, Филология
• Тарихи тұлғалар
• Тау-кен ісі
• Транспорт
• Туризм
• Физика
• Философия
• Халықаралық қатынастар
• Химия
• Экология, Қоршаған ортаны қорғау
• Экономика
• Экономикалық география
• Электротехника
• Қазақстан тарихы
• Қаржы
• Құрылыс
• Құқық, Криминалистика
• Әдебиет
• Өнер, музыка
• Өнеркәсіп, Өндіріс