Күн энергетикасы туралы жалпы түсінік
I.тарау. Күн энергетикасы туралы жалпы түсінік.
1.1. Күн сәулесі ─ тіршілік көзі.
1.2. Күн энергиясын тұрғын үйлерлі жылыту және ауаны тазарту үшін пайдалану.
1.3. Күн энергиясын шоғырландыру туралы негізгі түсініктер.
1.4. Күннің жарық қуаты.
1.5. Күндегі энергия өндіру процестері.
II.тарау. Қазақстанда Күн энергиясын пайдалану және болашағы.
2.1. Қазақстанда күн энергиясының даму болашағы мен перспективасы
2.2. Оңтүстік аудандарда күн энергиясын пайдалану мүмкіндіктері
2.3. КҮН ЭНЕРГИЯСЫН ТЕХНИКАДА ПАЙДАЛАНУ
2.4. Күн энергиясын космоста пайдалану
2.5. Күн энергиясын пайдаланудың болашақ межелері
1.1. Күн сәулесі ─ тіршілік көзі.
1.2. Күн энергиясын тұрғын үйлерлі жылыту және ауаны тазарту үшін пайдалану.
1.3. Күн энергиясын шоғырландыру туралы негізгі түсініктер.
1.4. Күннің жарық қуаты.
1.5. Күндегі энергия өндіру процестері.
II.тарау. Қазақстанда Күн энергиясын пайдалану және болашағы.
2.1. Қазақстанда күн энергиясының даму болашағы мен перспективасы
2.2. Оңтүстік аудандарда күн энергиясын пайдалану мүмкіндіктері
2.3. КҮН ЭНЕРГИЯСЫН ТЕХНИКАДА ПАЙДАЛАНУ
2.4. Күн энергиясын космоста пайдалану
2.5. Күн энергиясын пайдаланудың болашақ межелері
Адам пайдаланатын энергияның басым бөлігінің көзі ─ Күн. Күн энергиясының есебінен Жер бетінде жылдық орташа температура 150 С шамасында сақталып тұрады. Күннен келетін жылу мен жарық ағыны біздің планетамызда тіршіліктің болып тұруына қолайлы жағдай жасайды.
Бүкіл жер бетіне түсетін күн сәулелерінің қуаты соншалықты зор, оны алмастыру үшін 30 миллиондай қуатты электр станциялары қажет болар еді.
Егер Күн нұрын жер бетіне күн сайын төгіп тұрмаса не болар еді деп ойлап көрейікші. Жер бетінде күн өте нашар жылытатын орындардың бар екендігін білеміз. Бұлар ─ Арктика мен Антарктика. Оларда қақаған аяз, мәңгі мұз бен қар.
Судың жер бетіндегі үздіксіз шыр айналуы Күн энергиясы есебінен атқарылады: теңіздердің, көлдердің және өзендердің суы кебеді, жоғары көтеріліп қоюланып, бұлтқа айналады; бұлтты жел алқап-алқапқа айдап апарады да, ол жауын-шашын түрінде Жер бетіне түседі.
Біз пайдаланатын энергияның әзірше негізгі көзідерінің бірі болып табылатын тас көмір бір кезде жер бетінің үлкен алқаптарында қаулап өскен қалың орманның жер қойнауында тасқа айналған қалдығы. Демек, онда да Күн энергиясының қоры бар.
Біздің елімізде жыл бойы ашық күндері көп болатын аймақтарында, Күн сәулесі тікелей су ысыту үшін, су буын алу үшін пайдаланылады.
Бүкіл жер бетіне түсетін күн сәулелерінің қуаты соншалықты зор, оны алмастыру үшін 30 миллиондай қуатты электр станциялары қажет болар еді.
Егер Күн нұрын жер бетіне күн сайын төгіп тұрмаса не болар еді деп ойлап көрейікші. Жер бетінде күн өте нашар жылытатын орындардың бар екендігін білеміз. Бұлар ─ Арктика мен Антарктика. Оларда қақаған аяз, мәңгі мұз бен қар.
Судың жер бетіндегі үздіксіз шыр айналуы Күн энергиясы есебінен атқарылады: теңіздердің, көлдердің және өзендердің суы кебеді, жоғары көтеріліп қоюланып, бұлтқа айналады; бұлтты жел алқап-алқапқа айдап апарады да, ол жауын-шашын түрінде Жер бетіне түседі.
Біз пайдаланатын энергияның әзірше негізгі көзідерінің бірі болып табылатын тас көмір бір кезде жер бетінің үлкен алқаптарында қаулап өскен қалың орманның жер қойнауында тасқа айналған қалдығы. Демек, онда да Күн энергиясының қоры бар.
Біздің елімізде жыл бойы ашық күндері көп болатын аймақтарында, Күн сәулесі тікелей су ысыту үшін, су буын алу үшін пайдаланылады.
1. Ұ.Жадраев, А.Жамалов. Күн энергетикасы. «Қазақстан» баспасы
Алматы ─ 1976
2. А.В.Харитонов. Күн мен жұлдыздардың энергетикасы. Қазақ ССР-інің «Ғылым» баспасы, Алматы – 1986
3. Б.Дж.Бринкворт. Солнечная энергия для человека. Издательство «Мир» Москва 1976
4. БИКИ №73, 1 июня 2003 г.
5. БИКИ №6, 20 января 2004 г.
6. БИКИ №18, 14 февраля 2004 г.
7. БИКИ №62, 3 июня 2004 г.
8. Каталог инновационных разработок научных учреждений Республики Казахстан. Алматы, 2000.
9. Каталог перспективных инновационных разработок, рекомендуемых для внедрения. Алматы, 2002.
10. Каталог инновационных разработок, рекомендуемых для внедрения. Алматы, 2004.
11. Дверняков В.С. Солнце ─ жизнь, энергия. ─ Киев: Наукова думка, 1986.
12. Ивановский И.П. Солнце и его семья. Науч. Ред. Д-р физ.-матем. Наук проф. М.С.Эйгенсон. Л.Детгиз,(Ленингр. Отд-ние), 1957.
13.Кононович Э.В. Солнце ─ дневная звезда: Пособие для учащихся. ─ М: Просвещение, 1982
14. Миттон С. Дневная звезда. Рассказы о нашем солнце: Пер. С англ. ─ М.: Мир, 1984
15. Северный А.Б. Физика солнца. М., Изд-во Акад. Наук СССР, 1956
16. Конфедератов И.Я. Основы энергетики Изд. 2-е, доп. М,. «Просвещение», 1967.
Алматы ─ 1976
2. А.В.Харитонов. Күн мен жұлдыздардың энергетикасы. Қазақ ССР-інің «Ғылым» баспасы, Алматы – 1986
3. Б.Дж.Бринкворт. Солнечная энергия для человека. Издательство «Мир» Москва 1976
4. БИКИ №73, 1 июня 2003 г.
5. БИКИ №6, 20 января 2004 г.
6. БИКИ №18, 14 февраля 2004 г.
7. БИКИ №62, 3 июня 2004 г.
8. Каталог инновационных разработок научных учреждений Республики Казахстан. Алматы, 2000.
9. Каталог перспективных инновационных разработок, рекомендуемых для внедрения. Алматы, 2002.
10. Каталог инновационных разработок, рекомендуемых для внедрения. Алматы, 2004.
11. Дверняков В.С. Солнце ─ жизнь, энергия. ─ Киев: Наукова думка, 1986.
12. Ивановский И.П. Солнце и его семья. Науч. Ред. Д-р физ.-матем. Наук проф. М.С.Эйгенсон. Л.Детгиз,(Ленингр. Отд-ние), 1957.
13.Кононович Э.В. Солнце ─ дневная звезда: Пособие для учащихся. ─ М: Просвещение, 1982
14. Миттон С. Дневная звезда. Рассказы о нашем солнце: Пер. С англ. ─ М.: Мир, 1984
15. Северный А.Б. Физика солнца. М., Изд-во Акад. Наук СССР, 1956
16. Конфедератов И.Я. Основы энергетики Изд. 2-е, доп. М,. «Просвещение», 1967.
Кіріспе
Адам пайдаланатын энергияның басым бөлігінің көзі ─ Күн. Күн
энергиясының есебінен Жер бетінде жылдық орташа температура 150 С шамасында
сақталып тұрады. Күннен келетін жылу мен жарық ағыны біздің планетамызда
тіршіліктің болып тұруына қолайлы жағдай жасайды.
Бүкіл жер бетіне түсетін күн сәулелерінің қуаты соншалықты зор, оны
алмастыру үшін 30 миллиондай қуатты электр станциялары қажет болар еді.
Егер Күн нұрын жер бетіне күн сайын төгіп тұрмаса не болар еді деп
ойлап көрейікші. Жер бетінде күн өте нашар жылытатын орындардың бар
екендігін білеміз. Бұлар ─ Арктика мен Антарктика. Оларда қақаған аяз,
мәңгі мұз бен қар.
Судың жер бетіндегі үздіксіз шыр айналуы Күн энергиясы есебінен
атқарылады: теңіздердің, көлдердің және өзендердің суы кебеді, жоғары
көтеріліп қоюланып, бұлтқа айналады; бұлтты жел алқап-алқапқа айдап апарады
да, ол жауын-шашын түрінде Жер бетіне түседі.
Біз пайдаланатын энергияның әзірше негізгі көзідерінің бірі болып
табылатын тас көмір бір кезде жер бетінің үлкен алқаптарында қаулап өскен
қалың орманның жер қойнауында тасқа айналған қалдығы. Демек, онда да Күн
энергиясының қоры бар.
Біздің елімізде жыл бойы ашық күндері көп болатын аймақтарында, Күн
сәулесі тікелей су ысыту үшін, су буын алу үшін пайдаланылады.
I-тарау
Күн энергетикасы туралы жалпы түсінік.
1.1. 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 Втм2 болса, космоста (жер орбитасында) ─1-1,5 кВтм2-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 млрдкВт.сағат энергия.
Әр жылы жер бетіне 2780 Q күн энергиясы түседі. Ол энергия төмендегі
кестеде көрсетілгендей таралады.
Күннен жер бетіне түскен
энергия 2780
Атмосферамен алмасатын жылу
Булануға кеткен жылу 280
Жерден кеңістікке таралатын -1300
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.
Күннің беті үлкен экранмен жабылып, оның сәулесі жер бетіне бірнеше
күн түспей тұрсын делік. Бұл жағдайда жер бетінде қандай құбылыстар болар
еді?
Жер бетінің температурасы жылдам-ақ ─ 0 0C-ға төмендеп (бәлкім, аяз
басталатын шығар) қараңғылық басталар еді де, өзендердің ағысы тоқталады.
Жел тынады, мұхиттар түбіне дейін қатады. Атмосфераның өзі де сұйыққа
айналады, тіршіліксіз дүние басталады. Жерді қалыңдығы бірнеше метрге дейін
баратын мұз қаптар еді.Мұндай суықта өсімдіктер, микроорганизмдер,
жануарлар т.б. тірі жәндіктер өмір сүруін тоқтатады. Күн тұтылған уақытта,
күннің беті айдың көлеңкесінде қалқаланып қалады, сол сәтте жер бетінде ауа
температурасының аз да болса төмендегені, жел тұруы т.б. құбылыстар
байқалады. Бірақ, күн сәулесі жер бетіндегі толық тұтылған аймақтарға ғана
түспейді.
Табиғатта күн сәулесінің әсерінен өсімдіктердің көк жапырақтарында
фотосинтез процесі жүреді, яғни көмірқышқыл газы мен су қосыла келіп
органикалық заттардың молекуласы түзіледі де, өсімдіктердің өсуі басталып,
тірі организмдер мен адамдардың өмір сүруіне жағдай жасалынады.Фотосинтез
құбылысының салдарынан жер қыртысында көмір, торф, газ, т.б. заттар пайда
болған, оларды жылу энергетикада және химия өндірісінде шикізат ретінде мол
пайдаланудамыз. Күн сәулесінің әсерінен судың буланып жаңбыр, қар, бұлттың
шығуы, жер бетінің бірқалыпты қызбауынан желдің пайда болып, су буларын
алыс жаққа алып кету құбылыстары байқалады. Бұл құбылыстардың жер бетіндегі
маңызы өте зор, бұл процестерсіз тіршіліктің шырқы бұзылған болар еді.
Тірі жәндіктер топырақ құрамын байытып, әр түрлі торф, көмір т.б.
сияқты заттарды құрайды. Көмірқышқыл газының атмосферада кемуі оттегінің
көбеюіне әкеліп соқты. Тірі жәндіктердің өмір сүруіне органикалық заттар
жетіспейді. Сондықтан өсімдіктер пайда болды да күн жарығын өз бойына
дарытып, оны атмосферадағы көмірқышқыл газымен араластырып, органикалық
заттардың пайда болуына тиісті әсер етті. Бұл құбылыста фотосинтездің
маңызы зор. Биогеносфера ─ жерді қоршап тұрған атмосфераның жұқа қабаты. Ол
қабат біздің планетамызды қолайсыз космостық құбылыстардан да сақтап
тұрады.
Күн сәулесі жер бетіне түскенде, атмосфераның динамикасы физика
заңына толық бағынатын қозғалыста болады. Күн жылуының жер бетінде біркелкі
таралмауынан атмосфера қозғалысқа түседі. Жер бетіндегі ендігі аз
белдеулерде жылу көп, ал полюстерде суық болады. Себебі, полюстерге түсетін
күн сәулесінің тығыздығы экваторға қарағанда көп. Бірақ полюстегі мұз және
қар қабаттарынан инфрақызыл сәулелер кері шағылып, атмосфераға таралады.
Егерде экваторлық аймақ полюстерден оңашаланған болса, онда олардың
арасындағы температураның айырымы уақытқа байланысты артар еді. Бірақ жел
арқылы жылу алмасуы болғандықтан әлгі температура айырымы белгілі шектен
аспайды. Жылы ауа ағымы жоғары биіктікте полюске қарай, ал ондағы суынған
ауа жер беті бойынша экваторға қозғалады.
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. Сонымен қатар жаңа энергия көзін игеру,
зерттеу жұмысына көптеген материал шығын болады. Екіншіден, күн энергиясын
ауыл шаруашылығында, өндірісте, техникада пайдалану физика, химия,
автоматика, т.б. ғылым салаларының жетістіктеріне тікелей байланысты.
Соңғы кезде гелиотехниканың кейбір мәселелері, ертеректе қиял сияқты
болғанымен автоматика, оптика, космонавтиканың тез және жедел қарқынмен
өсуіне байланысты жүзеге асып отыр.
Қайта жаңаратын энергия ресурстары.
Күн төңірегінде жер орбитасының сәтті орналасуы біздің планетамыз
үшін сарқылмас байлық болып табылады.
Күн жүйесінің орнықтылығын зерттеген атақты математик-ғалымдар
Лаплас, Ляпунов, т.б. планетаның үлкен жарты осі ғасырлар бойы қозғалысында
өзінің қалыпты бағыттан ауытқымайтындығын көрсетті. Яғни Күн мен Жердің
орташа аралығы тұрақты болып қалатындығын дәлелдеді. Демек, планетамыздың
энергетикалық көзі орнықты. Күн әлем кеңістігіне жыл сайын 31033 калория
сәуле энергиясын таратады. Әрине, бұл энергияның барлығы жер бетіне келіп
жете бермейді. Егер күн төңірегінде радиусы 150 миллион километрге тең шар
сызатын болсақ, онда Жер шардың бұл 2 миллиардтай үлесіне ғана ие болады.
Осы себептен жер бетіне келіп жететін күн энергиясы (жыл сайын) 1024
калорияға тең болар еді.
Күннің энергетикалық қоры қалай?
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
1см2 ауданға 1 минутта келіп түсетін энергияға тең. Басқаша айтқанда, 1 м2
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. Күн және жел энергиясын түрлендіргіш
қондырғыларға жұмсалатын материалдық шығын басқамен салыстырғанда әлдеқайда
төмен, дегенмен бұл энергияны тегін деп есептеуге болмайды. Көптеген
экономистер энергияны түрлендіру не оны өндіру мәселесіндегі негізгі
айырмашылықты жетік айыра білмеу себебінен күн энергиясын кең түрде қолдану
проблемасына қарсы болып келеді. Күн қондырғыларына қатысты экономикалық
есептеулерде негізінен қандай гелиотехникалық түрлендіргіш қолайлы екенін
есепке алу керек. Міне, осы жағдайда күн энергиясы мақсатқа сәйкес тиімді
пайдаланылады. Сонымен тиімді гелиотехникалық түрлендіргіш қондырғылар
орнатылғаннан кейін гелиоэнергия абсолют тегін энергия болып
есептелінеді. Бұл орасан зор экономикалық факторлар біртіндеп халық
шаруашылығының барлық салаларын қамтитын болады. Келешекте өндірісте
тікелей қолдануға болатын гелиотехникалық түрлендіргіштер көптеп жасалатыны
сөзсіз. Қазіргі бар қондырғылар әлде де қымбатқа түсуде.
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.
1.2. 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.
Жаз айларында тұрғын үйлерді салқындату үшін жылу насос салқындатқыш
режимде жұмыс істеп ауа тазартатын қызметін атқарады. Алдын-ала жүргізілген
есептеулерге қарағанда үйлерді жылытуға қажетті жылу энергиясының 62,7%-н
күн энергиясынан алуға болады. Оның 37 %-ы жылулық насосты іске қосуға
шығындалады.
1962 жылы бром-металл ерітіндімен жұмыс істейтін кондициялық
қондырғыда экспериментальды зерттеулер жүргізілді. Қондырғы негізінен: күн-
су ысытқыш, генератор, конденсатор, буландырғыш, абсорбер, бак аккумулятор
және суды буға айналдыратын көмекші қыздырғыштан тұрады.
Қыздырғыш су айналмалы насос жәрдемімен күн-су ысытқыш қондырғыдан
генераторға жіберіліп, онда су-бром-металл ерітіндісін ысытады. Төмен
қысымда су булары генератордан конденсаторға келіп түседі. Буландырғышта
үрленетін ауа суынады, ал буландырғыштан келіп түсетін су булары
генератордан келетін нашар ерітінділі абсорберге сіңеді, салқындатылған су
абсорберге беріліп, одан соң конденсаторға жіберіледі. Қондырғының жылу
өндіру қабілеті ─ 3,5-4,5 мың ккал.сағат. Бұл экспериментальды қондырғының
жәрдемімен Вискон университетінің лабораториялары жаз күндерінде
салқындатылады. Күн энергиясымен жылыту қыс айларының суық күндерінде де
қалыпты температурамен қамтамасыз етіп, ал жаз айларының ыстық күндерінде
тұрғын бөлмелердің ауасын қолайлы жағдайында ұстап тұрған. Бұл күн үйінде
тұратын тұрғындар бөлмелердің бірқалыпты үздіксіз қалыпта жылитындығын және
бұл үйлер өндіріс орны қалың ауданға орналасқанымен шаң-тозаңның
байқалмайтындығын айтқан. Күн үйлерін пайдалану кезінде төтенше
олқылықтар кездеспеген және бұл жүйелер өзін-өзі толық ақтап шығатындығы
туралы қорытынды жасалған.
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.
1.3. 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.
Соңғы жылдары күн асханасының басқа конструкциялары жасалуда.
Мысалы, Өзбекстанның физикалық-техникалық институтында шатыр тәрізді күн
асханасы жасалынды. Ол күн ыстық болғанда шын мәніндегі шатырдың қызметін
атқарып, тұтынушыға көлеңке болса, жаңбыр жауғанда оны жаураудан сақтайды.
Қондырғыны бір орыннан екінші орынға көшіргенде кіші көлемнің ішіне
жинақтауға қолайлы етіп жасалған.
Қазіргі уақытта күн асханасы Индияда, Жапонияда, т.б. мемлекеттерде
үй шаруашылығында пайдаланылады.
Күн асханасына ұқсас қондырғыларды өндірісте пайдалану үшін, оның
ойыс айнасының диаметрін барынша арттыру керек болады.
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. Бұл қарастырылған автоматты
күн электр станциясы шөлейт жерлерде сыннан өткізіледі және осы бағыттағы
зерттеу жұмыстарын бұрынғыдан да жандандыру керектігін көрсетті. Өйткені
шөлдегі совхоздардың малдарын суғару үшін насостар қолданылып, отын жағылып
жүр.
Күн энергиясын термоэлектрогенератордың немесе Стирлинг двигателінің,
т.б. өзгерткіштердің жәрдемімен механикалық энергияны электр энергиясына
айналдыруға болады, ондай қондырғылар ойдағыдай жұмыс істеуде. Бұл салада,
күн энергиясын электр энергиясына айналдырып, оны әр түрлі мақсаттар үшін
пайдалануға болатыны күн қондырғыларының жаңа конструкцияларын жасауға
әкеліп соқтырып отыр. Мысалға автоматты метеостанцияларды, геологиялық
барлау топтарын немесе автомобильдерді де күн энергиясынан алынған электр
станциясымен қамтамасыз етуге болатындығы анықталып отыр. Бірақ, күн
энергиясын электр энергиясына айналдыратын өзгерткіштердің пайдалы әсер
коэффициенті кремний батареясы үшін 11-13% болса, термоэлектрлік генератор
үшін 5-8 % аспайды. Дегенмен, мұның өзі де тегін энергиядан өндірілетінін
ескерсек, тіптен де пайдалы нәрсе.
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.
Генераторлар пайдаланатын энергия көздері табиғи немесе жасанды әр
түрлі әдістерді пайдаланып шығарып алатын энергия көздері бола алады.
Энергияны пайдаланудың мөлшеріне қарай қозғалатын аппараттардың жылдамдығы
да өзгеріп отырады.Мысалы, Восток-2 ғарыш кораблінің жылу қозғалтқышының
қуаты 20 миллион ат күшіне тең. Мұндай орасан зор қуат химиялық энергиядан
пайда болады.
1.4. 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.
Осының бәрі күннің тұрақты қуатын Жер бетінде тұрып анықтауға кедергі
келтіреді. Сондықтан ғалымдардың өткен ғасырда жасаған өлшемдері онша дәл
болмағанына таң қалуға болмайды, әр түрлі авторлардың өлшемдері бір-бірінен
2 есе немесе одан да артық алшақтықты көрсететін.
Күннің тұрақты қуатын анықтау үшін жер бетінде жүргізілген
жұмыстардың ішінде Ч.Абботтың жетекшілік етуімен 1900 жылдан бастап бірнеше
онжылдықтарға созылған ғылыми бақылаулар методикалық жағынан ең үздік болып
табылады. Олардың жүргізген өлшеулері бар болғаны 2-3%-ға ғана ауытқиды.
Ал метеорология және басқа да жер туралы ғылымдар үшін сондай-ақ
астрофизика үшін күннің тұрақты қуатының дәл мөлшерін білу өте-мөте қажет.
Сонымен бірге бұл қуат тұрақты ма, әлде ол да өзгеріп тұра ма, өзгерсе оның
мөлшері қандай деген сұрақтарға жауап табу да бүгінгі ғылым үшін басты
мәселелердің бірі.
Күннің тұрақты қуатын біле отырып, біз көптеген қызықты фактілерге
жолығамыз. Жер бетінің белгілі бір ауданын мысалға алайық та, оған күн
сәулесі 600 (күннің көкжиектен биіктігі ─ 300) шамасында түсіп тұр деп
есептейік. Бұл ─ орта ендіктердің жағдайына дәл келеді. Онда жер бетіне күн
сәулелері тасқынының 65%-ы жетеді, қалғанын атмосфера өткізбей қояды.
Сәуленің түсу бұрышы тік емес, көлбеу болғандықтан жер бетіне оның
жартысына жуығы ғана түседі.Бұндай жағдайда 510 км ауданға күннен 22
млн. кВт шамасында энергия келіп түседі, бұның өзі 5 электростанцияның
беретін қуатынан көп.
Ауа райының барлық өзгерістерінің, жер атмосферасы мен
гидросферасында өтіп жатқан барлық табиғи процестердің энергиясы, жел,
мұхит суларының буға айналуы, бұлттардың пайда болуы, жаңбыр, қар,
бұршақтар, жылғалар мен бұлақтар, өзендер мен мұхит суларындағы ағыстар,
мұздақтардың жылжуы осының бәрі де күн сәулесімен келіп жеткен энергияның
негізінен алғанда қайта шығуы болып табылады. Биосфераның дамуы жылу мен
жарыққа тығыз байланысты, сондықтан да отынның кейбір түрлері, сондай-ақ
біздің барлық жейтін тамағымыз К.А.Тимирязевтің қанатты сөзімен айтқанда
Күн сәулесінің консервіленген түрі.
Тағы бір цифрды келтірейік. Жердің Күннен орта қашықтығы 149,6·106
км. Осыдан күннің толық жарық беру мөлшері 3,82·1023 кВт-қа тең, яғни
3,82·1033 эргс; бұл қуат біздің гидро және жылу электростанциялар сияқты
ең алып техникалық электроқондырғылардың қуатынан 1017 есе көп екендігін
көреміз.
Күн энергиясының қайнар көзі.
Күн энергиясы қайнар көзінің қайдан шығатынын білуге ғалымдар бағзы
замандардан бері ұмтылып келеді, олар көптеген гипотеза ұсынды. Солардың
ішінде энергия күннің қысылуынан туып жатыр деген гипотеза ұзақ өмір сүрді.
1853 ж Г.Гельмгольц деген ғалым айтқан бұл гипотеза ғасырымыздың бас
кезінде астрономия жайындағы кітаптарда егжей-тегжейлі түсіндіріліп еді.
Және ол ең дұрыс гипотеза деп саналатын, өйткені ол кезде физика энергияның
бұдан басқа қуатты қайнар көзі болатындығын білмейтін еді. Бірақ бұл
гипотезаны тексере келе, оның жалған екені анық болды, егер бүкіл күн
жүйесінің көлемінен де үлкен күнді осы күнгі көлеміне дейін қысқан кездің
өзінде Күн небәрі 10 млн. Жыл, тіпті болмағанда 20 млн. жыл жарық беріп
тұруы мүмкін. Алайда геологиялық, палеонтологиялық және басқа да
зерттеулердің нәтижесінде Жер мен Күн жүйесінің жасы 4-5 млрд. жылдан кем
емес.
Бұдан 3 млрд. жыл бұрын Жер бетінде қарапайым өмір пайда болды. Архей
дәуірінде қалыптасқан тау жыныстарында сақталған бактериялар мен көкжасыл
балдырлардың жасы 2,6-дан 3,5 млрд. жылға жетеді. Жер бетіндегі дамыған
соңғы 2-3 млрд. жыл ішінде күннің сәуле шашуы және жердің жарық бөлу
мөлшері мүлдем өзгермеген. Міне, сондықтан да күн физикасын дұрыс ұғыну
үшін оның миллиард жылдар бойы сәуле шашуын қамтамасыз ете алатын энергия
көзін тауып алу қажет еді.
1.5. 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.
Күннің ішкі қойнауларына енген сайын ондағы физикалық жағдай күрт
өзгереді, температура өседі, қысым мен тығыздық көбейеді. 1-суретте
берілген күннің схемалық бөліндісін қарастырып көрейік. Оның ортасындағы
қысым 400 млрд. атмосфераға жетеді. Бұл қысым бүкіләлемдік тартылыс заңына
сәйкес жасалып тұр. Әрбір бөлшек басқа бір бөлшекті тартып тұр да, өзі де
солай қарай тартылып тұрады. Басқаша айтқанда, ондағы қысым жоғарғы
қабаттардың салмағына тікелей байланысты.
Тартылыс күштері күнді сығымдап тастауға әрекет жасауда. Оған іштен
шығып жатқан сәуленің қысымымен бәрге газдың серіппелілігі төтеп беруде. Ал
бұл күштер күнді үлкейтіп, ұлғайту үшін әрекет етеді. Сырттан тартылыс
күші, іштен газдың серіппелілігі немесе газ қысымы, осыған қоса сәуле
қысымы бір-бірін тепе-теңдік жағдайда ұстап тұр. Күн мен жұлдыздардың көбі
гидростатикалық тепе-теңдік жағдайында тұр, бұл тепе-теңдік олардың сыртқы
қабатынан ортасына дейін барлық қабаттарында сақталған. Егер ондай болмаған
жағдайда Күн де жұлдыздар да бұлай әр қайсысы әр бөлек өмір сүрмеген болар
еді.
Сонымен Күннің ішіндегі қысым газды адам айтқысыз күшпен сығымдап
тұр. Күннің қақ ортасындағы тығыздық 60 гсм3-қа жетеді. Бұндағы газ
темірден 20 есе тығыз. Күннің ішкі қойнауларындағы заттар түгелге жуық
иондалғаннан кейін ғана газдың осындай орасан зор қысымда сығымдалуына
мүмкін болып отыр.
Бір қызықты нәрсе Күннің ішкі қойнауларындағы заттар өте тығыздықта
болғанымен идеал газдың қасиеттерін иемденген. Бұл да иондануға байланысты.
Күннің ең сығымдалған орталық аймағындағы бөлшектердің арақашықтығы олардың
өлшемінен әлдеқайда үлкен.
Газдың температурасы белгілі дәрежеде жоғары болған кезде ондағы
қысым да үлкен болады. Осының бәрі қосыла келіп газдың күштірек сығымдалуға
қарсы тұра алатын серіппелілігін тудырады. Қазіргі мәліметтерге қарағанда
Күннің дәл орталығындағы температура 14 млн. К шамасында.
Күннің орталық аймағы ерекше назар аударады. Күн радиусының төрттен
бір бөлігіне орналасқан. Демек, Күн көлемінің алпыс төрттен бір бөлігін
алып жатқан бұл аймақ тығыздығына байланысты күн массасының жартысын
иемденеді. Тап осы аймақта, ең жоғарғы температуралар мен қысымдар бар
аймағында термоядролық реакциялар мен энергия бөліну процестері жүріп
жатады.
Термоядролық реакциялардың Күн жүйесінде температурасы өте жоғары
күннің ішкі қойнауларында ғана өтетінін енді оңай түсінуге болады. Бір
аттас заряды бар протондар бір-бірін Кулон заңы бойынша кері тебеді.
Төменгі температуралар кезінде протондар мен ядролардың жылу
қозғалыстарының жылдамдығы және кинетикалық энергиясы аз. Кулонның кері
итеру күшін жеңіп, ядролық күштерді іске қосу жетерлік қашықтыққа жақындау
үшін бұл жылдамдық пен энергия аздық етеді. Кулон потенциялық кедергісінен
өтіп ядроға 10-13 см қашықтыққа жету үшін протонның шамамен 106 эВ
энергиясы болуы шарт. Алайда тіпті 107 К температура кезінде протондардың
жылу қозғалыстарының орташа энергиясы 103 эВ шамасында ғана.
Бұл кезде екі жағдай ғана көмекке келеді. Біріншіден, бөлшектердің
толқындық қасиеттеріне негізделген арнаулы кванттық құбылыс − туннельдік
эффектісі бар. Осы эффектіге байланысты энергиясы ядроның потенциялық
кедергісін өз күшімен бұзып өтетін протондардың энергиясынан көп төмен
протондардың белгілі бір бөлегі де ядроның кедергі күшін жеңе алатыны
көрінеді. Соның өзінде туннельдік эффектісін протондардың барлығы да
пайдалана алмайды екен, олардың ең жылдамдары ғана, энергиясы шамамен
2·104 эВ келетіндері ғана өте алады. Екінші қолайлы жағдай ─ жылдамдығы мен
энергиясы ортадан жоғары бөлшектер барлық уақытта да кездесіп тұрады.
Бұндай бөлшектің салыстырмалы түрдегі үлесі өте аз: күн қойнауларының
температурасы кезінде энергиясы 2·104 эВ, протондардың үлесі ≈ 10-8 ғана.
Осының бәрі Күндегі ядролық реакциялардың өте баяу өтіп жатқанының
себептерінің бірі. Протондар мен ядролардың түйісулерінің бәрі де олардың
бірігіп кетуіне әкеп соқпайды - энергия жетпейді.
Оқырман Күннің миллиардтаған жылдар бойы өмір сүріп келе жатып, оның
қойнаулары 14 млн К температурадан артыққа неге қызбайды деп сұрайтыны
анық. Қызу көбейген сайын ядроның кулондық кедергісін бұзып өтетін жоғарғы
энергиясы бар бөлшектердің саны сол бөлшектердің орташа энергиясынан
әлдеқайда тезірек көбеймей ме?
Мәселе мынада, күн қойнауларындағы заттар (күндегі барлық заттар сияқты)
белгілі газ заңдарына бағынады. Газ заңдарына тән ортақ қасиетті Клапейрон
теңдеуі сипаттай алады, онда құрамында п бөлшек бар газдың қысымы Р, көлемі
V және температурасы Т: рV = пкТ, мұндағы к= 1,380662·10-16 эргК—
Больцманның тұрақтысы.
Күн қойнауындағы кез келген аймақ немесе қатпарлар гидростатикалық
теңдікте болатынын біз жақсы білеміз: жоғары қатпарлардың салмағын ішкі
қойнаулардағы газдардың серіппелілігі мен жарық қысымы көтеріп тұрады. Егер
белгілі бір аймақтағы температура әлдебір себептерден жоғарылап кетсе, онда
ядролық реакциялар да жиірек өткен болар еді. Алайда температураның
жоғарылауы дегеніміз бөлшектердің жылулық қозғалысының жылдамдығы мен
импульстерінің өсуі яғни газдың серіппелілігі ұлғайды деген сөз. Бірақ та
күннің сыртқы қабаттарының салмағы өзгермегендіктен, белгілі бір аймақтағы
газдың массасының көлемі ұлғаяды да, оның серіппелілігі бұрынғы қалпында
қала береді, сондықтан да олардың арасындағы механикалық тепе-теңдік
жойылмайды. Газ массасының көлемі ұлғаюы (тағы да Клапейрон теңдеуі
бойынша) ондағы температураның төмен түсуіне, ядролық реакциялардың
баяулауына, сөйтіп бұрынғы тұрақты жағдайдың қайта орнығуына әкеледі. Газ
заңдары Күн қойнауындағы температураның және басқа да параметрлердің
тұрақты болып тұруын қамтамасыз етеді.
Ядролық реакциялардың жылдамдығы температурадан басқа реакцияға қатысқан
бөлшектердің проценттік арасалмағына да байланысты. Бұл жағдай түсінікті
болу үшін өте тез өтетін протон-протонды циклдің екінші бөлігіне назар
аударалық. Күн затында протондар сан жетпес көп, дейтрон пайда болғаннан
кейінгі бірнеше секунд ішінде онымен түйісуге даяр бөлшектердің арасында
кулон барьерін бұзып өтіп, 2Не3 ядросын құрай алатындай энергиясы бар
протон да пайда болады. 2Не3 ядросының өмірі өте ұзақ, концентрациясы тым
аз, сондықтан да арада миллиондаған жылдар өткенде ғана ол қажетті
энергиясы бар серік тауып, онымен біріге алады (олардың әрқайсысының кулон
кедергісі протондар және дейтрондармен салыстырғанда екі есе үлкен).
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.
Екі протонның массаларының қосындысы — 2,01455 м.а.б., нейтрон мен протон
массаларының қосындысы —2,01594 м.а.б., ал дейтронның массасы
-2,01354м.а.б. Ядролық күштердің (күшті әрекеттестік) жұмысына байланысты
пайда болатын масса ақауы энергетика тіліне аударғанда 2,2 МэВ, нейтрон
массасының протон мен пайда болып жатқан позитронның массасынан артығының
орнын толтырады, сонымен бірге белгілі бір энергия пайда болуына әсер
етеді. Материяның сақталу заңы бұл жерде бұзылмай тұр, бірақ бұл процестің
өту-өтпеуі неғайбыл. Реакцияның өту мерзімі шамамен 1010 жыл. Протон да
дейтрон құрамына кірмес бұрын осы уақыт шамасында өмір сүре алады.
Енді 1-суретке қайта оралайық. Бұдан бұрын айтқанымыздай ядролық
реакциялар кезінде шыққан энергияның негізі гамма-квант түрінде бөлінеді,
оның 4—5%-ін нейтрино алып кетеді. Нейтрино Күннің барлық қабаттарынан
еркін өте алады, оның энергиясы Күннің температурасы мен сәуле шашуына яғни
электромагниттік сәулеленудің қуатына еш әсер етпейді. Күннің ішкі
қойнауларында пайда болған электромагниттік сәулелену нейтриноға керісінше
сыртқа шығар жолда өте қуатты кедергілерге тап болады, өйткені күн
заттарының жарық өткізбеу мүмкіндігі өте жоғары.
Күн заттарының жарық өткізбеуіне бірнеше фактор себеп бола алады.
Біріншіден, еркін электрондарда квант сәулелері шашырап кетеді. Электрондар
өте көп, өйткені Күндегі кең тараған элементтер - сутегі мен гелий-ион
жағдайында, ал басқа элементтердің (мысалға темір) негізгі құрамы
иондалған, оларда электрондардың белгілі бір бөлігі ғана, олардың ең ішкі
қабаттарға орналасқандары ғана сақталған.
Жарық өткізбеудің екінші себебі – еркіндіктен-еркіндікке ауысуға
байланысты. Кванттың сәулеленуі мен жұтылуы электронның энергиясына
байланысты екені белгілі. Мысалға оның атомның бір орбитасынан екінші
орбитасына, басқаша айтқанда бір деңгейден екінші деңгейге ауысуына
байланысты. Алайда атомның ішіндегі электрон сияқты оң зарядты ионның
жанынан өтіп бара жатқан электрон да сәулені жұтып және қайта шығара алады
екен, бұндай кезде бұл бөлшектердің салыстырмалы қозғалысының (соған
байланысты энергиясы да) жылдамдығы да өзгеріске ұшырайды. Квантты жұтып
алған электронның жылдамдығы өседі де, сонан соң басқа ионның қасынан
өткенде баяулап, бойындағы энергияның белгілі бір бөлегін беріп кетуі де
мүмкін.
Жарық өткізбеудің үшінші себебі — протондардың электрондармен
рекомбинациясы және одан кейінгі ионизация. Электрон протонмен түйіскен
кезде оны протон өзіне тартып алса сутегінің бейтарап атомы құралады, осы
кезде квант бөлініп шығады. Рекомбинацияға ұшыраған атом өте аз өмір
сүреді, ол дәл сол жерде квантты жұтады да иондалады, ал электрон тағы да
бөлек қалады. Электронның рекомбинация мен иондалу кезіндегі ауысуының
еркіндіктен-еркіндікке ауысуынан айырмашылығы — бұл ауысу еркіндіктен —
байлануға және байланудан-еркіндікке ауысу деп аталады.
Сәуле өткізбеуге ауыр элементтердің иондары да едәуір әсер етеді. Күн
қойнауларының температурасы жағдайында олардың электрондары ядроға жақын
орбиталарда қалады, ал олар жеткілікті түрде жігерлі (қатқыл) кванттарды
жұтып жіберген кезде ядродан бөлініп кете барады, сөйтіп еркіндіктен -
байлануға және байланудан - еркіндікке ауысудың бірнеше түрі пайда болады.
Ауыр элементтердің салыстырмалы түрде өте аз (2%) болғанына қарамастан, Күн
заттарының сәуле өткізбеуінде шешуші роль атқарады.
Бұл процестер энергияның пайда болуына әсер етпегенімен, оның күн
қойнауларынан сыртқа шығуына үлкен кедергі келтіреді. Кванттың Күн
қойнауларындағы еркін жүретін жолының ұзындығы бар болғаны 6см. Бұны былай
түсіндіреміз. Ең әуелде квант Күн радиуысының бойымен сыртқа қарай жылжиды
делік. Бар болғаны 6см жүргеннен кейін, ол шашырауға ұшырайды немесе
жұтылып кетеді де кейін қайта сәулеге айналады. Алайда сәулеге қайта
айналуында ол кез келген бағытқа қарай жүруі мүмкін. Квант қозғалысының
бағытын өзгертіп алады да, соның нәтижесінде кванттардың диффузиясы Күннің
орталық аймақтарынан оның сыртына қарай өте баяу өтеді. Қандай жағдайда
болса да Күннің ядросында дәл қазір пайда болған энергия шамамен 1млн
жылдан кейін ғана фотосфераға жетіп, әлемдік кеңістікке шыға алады.
Салыстыру үшін келтіре кетелік: бостандыққа шығып алған жарық бар болғаны
8 мин 19 с ішінде Жерге жетеді, Күн мен Жердің орташа арақашықтығы 149,6
млн.км (бұл қашықтық Күн радиусынан 215 есе ұзақ).
Сәуленің Күн қойнауларынан сыртқа шығуына осындай қиындықтар кедергі
болғанымен, оның орталық аймақтарынан энергияның сыртқа шығуында сәулелену
шешуші роль атқарады. Бұл жерде жылу өткізгіштік ешқандай роль атқармайды,
ал конвекция тек қана сыртқы қабаттарында, орталықтан 0,85-0,86 Rс
деңгейден бастап пайда болады (бұл жердегі Rс -Күннің радиусы). Бұл
деңгейде температура 500 мың К-ге дейін төмендейді. Күннің орталық
аймақтарында сутегі мен гелийдің барлық атомдары аз ғана уақытқа
рекомбинацияға ұшырап, онан соң қайта иондалып, одан соң үнемі иондалған
қалыпта болады. Ал Күннің сыртқы қабаттарында бейтарап атомдар мол
кездеседі, олардың салыстырмалы саны күннің шеткі қойнауларына жақындаған
сайын көбейе түседі. Бұлар байланудан-еркіндікке және еркіндіктен-байлануға
ауысуды өте көбейтіп жібереді, соның арқасында Күн заттарының жарық
өткізбеу қасиеті күшейе түседі. Күннің ішкі қойнауларынан келіп жатқан
энергия енді электромагниттік сәуле ретінде сыртқа шыға алмайды, энергия
шығарудың жаңа процесі -конвекция пайда болады.
Кванттардың бөліну механизмін түсіну үшін сутегі атомының
деңгейлерінің схемасына (2-сурет) назар салайық.
5-сурет. Сутегі атомындағы әрекетке ену деңгейінің және
олардың арасындағы Лайман, Бальмер және т. б. серияларының линияларын
беретін ауысу схемасы
Сыртқы кеңістікке кванттар еркін шыға алатын Күннің сыртқы қабаты
фотосфера деп аталады, Күнді жап-жарық қылып бізге көрсетіп тұрған да осы
фотосфера. Фотосфераның сапалы түсірілген суреттерінен оның кейбір
аймақтары түйіршіктерден — сансыз майда гранулалардан құралатынын көреміз.
Бұл аймақтар 5 минут ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Адам пайдаланатын энергияның басым бөлігінің көзі ─ Күн. Күн
энергиясының есебінен Жер бетінде жылдық орташа температура 150 С шамасында
сақталып тұрады. Күннен келетін жылу мен жарық ағыны біздің планетамызда
тіршіліктің болып тұруына қолайлы жағдай жасайды.
Бүкіл жер бетіне түсетін күн сәулелерінің қуаты соншалықты зор, оны
алмастыру үшін 30 миллиондай қуатты электр станциялары қажет болар еді.
Егер Күн нұрын жер бетіне күн сайын төгіп тұрмаса не болар еді деп
ойлап көрейікші. Жер бетінде күн өте нашар жылытатын орындардың бар
екендігін білеміз. Бұлар ─ Арктика мен Антарктика. Оларда қақаған аяз,
мәңгі мұз бен қар.
Судың жер бетіндегі үздіксіз шыр айналуы Күн энергиясы есебінен
атқарылады: теңіздердің, көлдердің және өзендердің суы кебеді, жоғары
көтеріліп қоюланып, бұлтқа айналады; бұлтты жел алқап-алқапқа айдап апарады
да, ол жауын-шашын түрінде Жер бетіне түседі.
Біз пайдаланатын энергияның әзірше негізгі көзідерінің бірі болып
табылатын тас көмір бір кезде жер бетінің үлкен алқаптарында қаулап өскен
қалың орманның жер қойнауында тасқа айналған қалдығы. Демек, онда да Күн
энергиясының қоры бар.
Біздің елімізде жыл бойы ашық күндері көп болатын аймақтарында, Күн
сәулесі тікелей су ысыту үшін, су буын алу үшін пайдаланылады.
I-тарау
Күн энергетикасы туралы жалпы түсінік.
1.1. 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 Втм2 болса, космоста (жер орбитасында) ─1-1,5 кВтм2-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 млрдкВт.сағат энергия.
Әр жылы жер бетіне 2780 Q күн энергиясы түседі. Ол энергия төмендегі
кестеде көрсетілгендей таралады.
Күннен жер бетіне түскен
энергия 2780
Атмосферамен алмасатын жылу
Булануға кеткен жылу 280
Жерден кеңістікке таралатын -1300
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.
Күннің беті үлкен экранмен жабылып, оның сәулесі жер бетіне бірнеше
күн түспей тұрсын делік. Бұл жағдайда жер бетінде қандай құбылыстар болар
еді?
Жер бетінің температурасы жылдам-ақ ─ 0 0C-ға төмендеп (бәлкім, аяз
басталатын шығар) қараңғылық басталар еді де, өзендердің ағысы тоқталады.
Жел тынады, мұхиттар түбіне дейін қатады. Атмосфераның өзі де сұйыққа
айналады, тіршіліксіз дүние басталады. Жерді қалыңдығы бірнеше метрге дейін
баратын мұз қаптар еді.Мұндай суықта өсімдіктер, микроорганизмдер,
жануарлар т.б. тірі жәндіктер өмір сүруін тоқтатады. Күн тұтылған уақытта,
күннің беті айдың көлеңкесінде қалқаланып қалады, сол сәтте жер бетінде ауа
температурасының аз да болса төмендегені, жел тұруы т.б. құбылыстар
байқалады. Бірақ, күн сәулесі жер бетіндегі толық тұтылған аймақтарға ғана
түспейді.
Табиғатта күн сәулесінің әсерінен өсімдіктердің көк жапырақтарында
фотосинтез процесі жүреді, яғни көмірқышқыл газы мен су қосыла келіп
органикалық заттардың молекуласы түзіледі де, өсімдіктердің өсуі басталып,
тірі организмдер мен адамдардың өмір сүруіне жағдай жасалынады.Фотосинтез
құбылысының салдарынан жер қыртысында көмір, торф, газ, т.б. заттар пайда
болған, оларды жылу энергетикада және химия өндірісінде шикізат ретінде мол
пайдаланудамыз. Күн сәулесінің әсерінен судың буланып жаңбыр, қар, бұлттың
шығуы, жер бетінің бірқалыпты қызбауынан желдің пайда болып, су буларын
алыс жаққа алып кету құбылыстары байқалады. Бұл құбылыстардың жер бетіндегі
маңызы өте зор, бұл процестерсіз тіршіліктің шырқы бұзылған болар еді.
Тірі жәндіктер топырақ құрамын байытып, әр түрлі торф, көмір т.б.
сияқты заттарды құрайды. Көмірқышқыл газының атмосферада кемуі оттегінің
көбеюіне әкеліп соқты. Тірі жәндіктердің өмір сүруіне органикалық заттар
жетіспейді. Сондықтан өсімдіктер пайда болды да күн жарығын өз бойына
дарытып, оны атмосферадағы көмірқышқыл газымен араластырып, органикалық
заттардың пайда болуына тиісті әсер етті. Бұл құбылыста фотосинтездің
маңызы зор. Биогеносфера ─ жерді қоршап тұрған атмосфераның жұқа қабаты. Ол
қабат біздің планетамызды қолайсыз космостық құбылыстардан да сақтап
тұрады.
Күн сәулесі жер бетіне түскенде, атмосфераның динамикасы физика
заңына толық бағынатын қозғалыста болады. Күн жылуының жер бетінде біркелкі
таралмауынан атмосфера қозғалысқа түседі. Жер бетіндегі ендігі аз
белдеулерде жылу көп, ал полюстерде суық болады. Себебі, полюстерге түсетін
күн сәулесінің тығыздығы экваторға қарағанда көп. Бірақ полюстегі мұз және
қар қабаттарынан инфрақызыл сәулелер кері шағылып, атмосфераға таралады.
Егерде экваторлық аймақ полюстерден оңашаланған болса, онда олардың
арасындағы температураның айырымы уақытқа байланысты артар еді. Бірақ жел
арқылы жылу алмасуы болғандықтан әлгі температура айырымы белгілі шектен
аспайды. Жылы ауа ағымы жоғары биіктікте полюске қарай, ал ондағы суынған
ауа жер беті бойынша экваторға қозғалады.
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. Сонымен қатар жаңа энергия көзін игеру,
зерттеу жұмысына көптеген материал шығын болады. Екіншіден, күн энергиясын
ауыл шаруашылығында, өндірісте, техникада пайдалану физика, химия,
автоматика, т.б. ғылым салаларының жетістіктеріне тікелей байланысты.
Соңғы кезде гелиотехниканың кейбір мәселелері, ертеректе қиял сияқты
болғанымен автоматика, оптика, космонавтиканың тез және жедел қарқынмен
өсуіне байланысты жүзеге асып отыр.
Қайта жаңаратын энергия ресурстары.
Күн төңірегінде жер орбитасының сәтті орналасуы біздің планетамыз
үшін сарқылмас байлық болып табылады.
Күн жүйесінің орнықтылығын зерттеген атақты математик-ғалымдар
Лаплас, Ляпунов, т.б. планетаның үлкен жарты осі ғасырлар бойы қозғалысында
өзінің қалыпты бағыттан ауытқымайтындығын көрсетті. Яғни Күн мен Жердің
орташа аралығы тұрақты болып қалатындығын дәлелдеді. Демек, планетамыздың
энергетикалық көзі орнықты. Күн әлем кеңістігіне жыл сайын 31033 калория
сәуле энергиясын таратады. Әрине, бұл энергияның барлығы жер бетіне келіп
жете бермейді. Егер күн төңірегінде радиусы 150 миллион километрге тең шар
сызатын болсақ, онда Жер шардың бұл 2 миллиардтай үлесіне ғана ие болады.
Осы себептен жер бетіне келіп жететін күн энергиясы (жыл сайын) 1024
калорияға тең болар еді.
Күннің энергетикалық қоры қалай?
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
1см2 ауданға 1 минутта келіп түсетін энергияға тең. Басқаша айтқанда, 1 м2
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. Күн және жел энергиясын түрлендіргіш
қондырғыларға жұмсалатын материалдық шығын басқамен салыстырғанда әлдеқайда
төмен, дегенмен бұл энергияны тегін деп есептеуге болмайды. Көптеген
экономистер энергияны түрлендіру не оны өндіру мәселесіндегі негізгі
айырмашылықты жетік айыра білмеу себебінен күн энергиясын кең түрде қолдану
проблемасына қарсы болып келеді. Күн қондырғыларына қатысты экономикалық
есептеулерде негізінен қандай гелиотехникалық түрлендіргіш қолайлы екенін
есепке алу керек. Міне, осы жағдайда күн энергиясы мақсатқа сәйкес тиімді
пайдаланылады. Сонымен тиімді гелиотехникалық түрлендіргіш қондырғылар
орнатылғаннан кейін гелиоэнергия абсолют тегін энергия болып
есептелінеді. Бұл орасан зор экономикалық факторлар біртіндеп халық
шаруашылығының барлық салаларын қамтитын болады. Келешекте өндірісте
тікелей қолдануға болатын гелиотехникалық түрлендіргіштер көптеп жасалатыны
сөзсіз. Қазіргі бар қондырғылар әлде де қымбатқа түсуде.
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.
1.2. 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.
Жаз айларында тұрғын үйлерді салқындату үшін жылу насос салқындатқыш
режимде жұмыс істеп ауа тазартатын қызметін атқарады. Алдын-ала жүргізілген
есептеулерге қарағанда үйлерді жылытуға қажетті жылу энергиясының 62,7%-н
күн энергиясынан алуға болады. Оның 37 %-ы жылулық насосты іске қосуға
шығындалады.
1962 жылы бром-металл ерітіндімен жұмыс істейтін кондициялық
қондырғыда экспериментальды зерттеулер жүргізілді. Қондырғы негізінен: күн-
су ысытқыш, генератор, конденсатор, буландырғыш, абсорбер, бак аккумулятор
және суды буға айналдыратын көмекші қыздырғыштан тұрады.
Қыздырғыш су айналмалы насос жәрдемімен күн-су ысытқыш қондырғыдан
генераторға жіберіліп, онда су-бром-металл ерітіндісін ысытады. Төмен
қысымда су булары генератордан конденсаторға келіп түседі. Буландырғышта
үрленетін ауа суынады, ал буландырғыштан келіп түсетін су булары
генератордан келетін нашар ерітінділі абсорберге сіңеді, салқындатылған су
абсорберге беріліп, одан соң конденсаторға жіберіледі. Қондырғының жылу
өндіру қабілеті ─ 3,5-4,5 мың ккал.сағат. Бұл экспериментальды қондырғының
жәрдемімен Вискон университетінің лабораториялары жаз күндерінде
салқындатылады. Күн энергиясымен жылыту қыс айларының суық күндерінде де
қалыпты температурамен қамтамасыз етіп, ал жаз айларының ыстық күндерінде
тұрғын бөлмелердің ауасын қолайлы жағдайында ұстап тұрған. Бұл күн үйінде
тұратын тұрғындар бөлмелердің бірқалыпты үздіксіз қалыпта жылитындығын және
бұл үйлер өндіріс орны қалың ауданға орналасқанымен шаң-тозаңның
байқалмайтындығын айтқан. Күн үйлерін пайдалану кезінде төтенше
олқылықтар кездеспеген және бұл жүйелер өзін-өзі толық ақтап шығатындығы
туралы қорытынды жасалған.
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.
1.3. 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.
Соңғы жылдары күн асханасының басқа конструкциялары жасалуда.
Мысалы, Өзбекстанның физикалық-техникалық институтында шатыр тәрізді күн
асханасы жасалынды. Ол күн ыстық болғанда шын мәніндегі шатырдың қызметін
атқарып, тұтынушыға көлеңке болса, жаңбыр жауғанда оны жаураудан сақтайды.
Қондырғыны бір орыннан екінші орынға көшіргенде кіші көлемнің ішіне
жинақтауға қолайлы етіп жасалған.
Қазіргі уақытта күн асханасы Индияда, Жапонияда, т.б. мемлекеттерде
үй шаруашылығында пайдаланылады.
Күн асханасына ұқсас қондырғыларды өндірісте пайдалану үшін, оның
ойыс айнасының диаметрін барынша арттыру керек болады.
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. Бұл қарастырылған автоматты
күн электр станциясы шөлейт жерлерде сыннан өткізіледі және осы бағыттағы
зерттеу жұмыстарын бұрынғыдан да жандандыру керектігін көрсетті. Өйткені
шөлдегі совхоздардың малдарын суғару үшін насостар қолданылып, отын жағылып
жүр.
Күн энергиясын термоэлектрогенератордың немесе Стирлинг двигателінің,
т.б. өзгерткіштердің жәрдемімен механикалық энергияны электр энергиясына
айналдыруға болады, ондай қондырғылар ойдағыдай жұмыс істеуде. Бұл салада,
күн энергиясын электр энергиясына айналдырып, оны әр түрлі мақсаттар үшін
пайдалануға болатыны күн қондырғыларының жаңа конструкцияларын жасауға
әкеліп соқтырып отыр. Мысалға автоматты метеостанцияларды, геологиялық
барлау топтарын немесе автомобильдерді де күн энергиясынан алынған электр
станциясымен қамтамасыз етуге болатындығы анықталып отыр. Бірақ, күн
энергиясын электр энергиясына айналдыратын өзгерткіштердің пайдалы әсер
коэффициенті кремний батареясы үшін 11-13% болса, термоэлектрлік генератор
үшін 5-8 % аспайды. Дегенмен, мұның өзі де тегін энергиядан өндірілетінін
ескерсек, тіптен де пайдалы нәрсе.
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.
Генераторлар пайдаланатын энергия көздері табиғи немесе жасанды әр
түрлі әдістерді пайдаланып шығарып алатын энергия көздері бола алады.
Энергияны пайдаланудың мөлшеріне қарай қозғалатын аппараттардың жылдамдығы
да өзгеріп отырады.Мысалы, Восток-2 ғарыш кораблінің жылу қозғалтқышының
қуаты 20 миллион ат күшіне тең. Мұндай орасан зор қуат химиялық энергиядан
пайда болады.
1.4. 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.
Осының бәрі күннің тұрақты қуатын Жер бетінде тұрып анықтауға кедергі
келтіреді. Сондықтан ғалымдардың өткен ғасырда жасаған өлшемдері онша дәл
болмағанына таң қалуға болмайды, әр түрлі авторлардың өлшемдері бір-бірінен
2 есе немесе одан да артық алшақтықты көрсететін.
Күннің тұрақты қуатын анықтау үшін жер бетінде жүргізілген
жұмыстардың ішінде Ч.Абботтың жетекшілік етуімен 1900 жылдан бастап бірнеше
онжылдықтарға созылған ғылыми бақылаулар методикалық жағынан ең үздік болып
табылады. Олардың жүргізген өлшеулері бар болғаны 2-3%-ға ғана ауытқиды.
Ал метеорология және басқа да жер туралы ғылымдар үшін сондай-ақ
астрофизика үшін күннің тұрақты қуатының дәл мөлшерін білу өте-мөте қажет.
Сонымен бірге бұл қуат тұрақты ма, әлде ол да өзгеріп тұра ма, өзгерсе оның
мөлшері қандай деген сұрақтарға жауап табу да бүгінгі ғылым үшін басты
мәселелердің бірі.
Күннің тұрақты қуатын біле отырып, біз көптеген қызықты фактілерге
жолығамыз. Жер бетінің белгілі бір ауданын мысалға алайық та, оған күн
сәулесі 600 (күннің көкжиектен биіктігі ─ 300) шамасында түсіп тұр деп
есептейік. Бұл ─ орта ендіктердің жағдайына дәл келеді. Онда жер бетіне күн
сәулелері тасқынының 65%-ы жетеді, қалғанын атмосфера өткізбей қояды.
Сәуленің түсу бұрышы тік емес, көлбеу болғандықтан жер бетіне оның
жартысына жуығы ғана түседі.Бұндай жағдайда 510 км ауданға күннен 22
млн. кВт шамасында энергия келіп түседі, бұның өзі 5 электростанцияның
беретін қуатынан көп.
Ауа райының барлық өзгерістерінің, жер атмосферасы мен
гидросферасында өтіп жатқан барлық табиғи процестердің энергиясы, жел,
мұхит суларының буға айналуы, бұлттардың пайда болуы, жаңбыр, қар,
бұршақтар, жылғалар мен бұлақтар, өзендер мен мұхит суларындағы ағыстар,
мұздақтардың жылжуы осының бәрі де күн сәулесімен келіп жеткен энергияның
негізінен алғанда қайта шығуы болып табылады. Биосфераның дамуы жылу мен
жарыққа тығыз байланысты, сондықтан да отынның кейбір түрлері, сондай-ақ
біздің барлық жейтін тамағымыз К.А.Тимирязевтің қанатты сөзімен айтқанда
Күн сәулесінің консервіленген түрі.
Тағы бір цифрды келтірейік. Жердің Күннен орта қашықтығы 149,6·106
км. Осыдан күннің толық жарық беру мөлшері 3,82·1023 кВт-қа тең, яғни
3,82·1033 эргс; бұл қуат біздің гидро және жылу электростанциялар сияқты
ең алып техникалық электроқондырғылардың қуатынан 1017 есе көп екендігін
көреміз.
Күн энергиясының қайнар көзі.
Күн энергиясы қайнар көзінің қайдан шығатынын білуге ғалымдар бағзы
замандардан бері ұмтылып келеді, олар көптеген гипотеза ұсынды. Солардың
ішінде энергия күннің қысылуынан туып жатыр деген гипотеза ұзақ өмір сүрді.
1853 ж Г.Гельмгольц деген ғалым айтқан бұл гипотеза ғасырымыздың бас
кезінде астрономия жайындағы кітаптарда егжей-тегжейлі түсіндіріліп еді.
Және ол ең дұрыс гипотеза деп саналатын, өйткені ол кезде физика энергияның
бұдан басқа қуатты қайнар көзі болатындығын білмейтін еді. Бірақ бұл
гипотезаны тексере келе, оның жалған екені анық болды, егер бүкіл күн
жүйесінің көлемінен де үлкен күнді осы күнгі көлеміне дейін қысқан кездің
өзінде Күн небәрі 10 млн. Жыл, тіпті болмағанда 20 млн. жыл жарық беріп
тұруы мүмкін. Алайда геологиялық, палеонтологиялық және басқа да
зерттеулердің нәтижесінде Жер мен Күн жүйесінің жасы 4-5 млрд. жылдан кем
емес.
Бұдан 3 млрд. жыл бұрын Жер бетінде қарапайым өмір пайда болды. Архей
дәуірінде қалыптасқан тау жыныстарында сақталған бактериялар мен көкжасыл
балдырлардың жасы 2,6-дан 3,5 млрд. жылға жетеді. Жер бетіндегі дамыған
соңғы 2-3 млрд. жыл ішінде күннің сәуле шашуы және жердің жарық бөлу
мөлшері мүлдем өзгермеген. Міне, сондықтан да күн физикасын дұрыс ұғыну
үшін оның миллиард жылдар бойы сәуле шашуын қамтамасыз ете алатын энергия
көзін тауып алу қажет еді.
1.5. 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.
Күннің ішкі қойнауларына енген сайын ондағы физикалық жағдай күрт
өзгереді, температура өседі, қысым мен тығыздық көбейеді. 1-суретте
берілген күннің схемалық бөліндісін қарастырып көрейік. Оның ортасындағы
қысым 400 млрд. атмосфераға жетеді. Бұл қысым бүкіләлемдік тартылыс заңына
сәйкес жасалып тұр. Әрбір бөлшек басқа бір бөлшекті тартып тұр да, өзі де
солай қарай тартылып тұрады. Басқаша айтқанда, ондағы қысым жоғарғы
қабаттардың салмағына тікелей байланысты.
Тартылыс күштері күнді сығымдап тастауға әрекет жасауда. Оған іштен
шығып жатқан сәуленің қысымымен бәрге газдың серіппелілігі төтеп беруде. Ал
бұл күштер күнді үлкейтіп, ұлғайту үшін әрекет етеді. Сырттан тартылыс
күші, іштен газдың серіппелілігі немесе газ қысымы, осыған қоса сәуле
қысымы бір-бірін тепе-теңдік жағдайда ұстап тұр. Күн мен жұлдыздардың көбі
гидростатикалық тепе-теңдік жағдайында тұр, бұл тепе-теңдік олардың сыртқы
қабатынан ортасына дейін барлық қабаттарында сақталған. Егер ондай болмаған
жағдайда Күн де жұлдыздар да бұлай әр қайсысы әр бөлек өмір сүрмеген болар
еді.
Сонымен Күннің ішіндегі қысым газды адам айтқысыз күшпен сығымдап
тұр. Күннің қақ ортасындағы тығыздық 60 гсм3-қа жетеді. Бұндағы газ
темірден 20 есе тығыз. Күннің ішкі қойнауларындағы заттар түгелге жуық
иондалғаннан кейін ғана газдың осындай орасан зор қысымда сығымдалуына
мүмкін болып отыр.
Бір қызықты нәрсе Күннің ішкі қойнауларындағы заттар өте тығыздықта
болғанымен идеал газдың қасиеттерін иемденген. Бұл да иондануға байланысты.
Күннің ең сығымдалған орталық аймағындағы бөлшектердің арақашықтығы олардың
өлшемінен әлдеқайда үлкен.
Газдың температурасы белгілі дәрежеде жоғары болған кезде ондағы
қысым да үлкен болады. Осының бәрі қосыла келіп газдың күштірек сығымдалуға
қарсы тұра алатын серіппелілігін тудырады. Қазіргі мәліметтерге қарағанда
Күннің дәл орталығындағы температура 14 млн. К шамасында.
Күннің орталық аймағы ерекше назар аударады. Күн радиусының төрттен
бір бөлігіне орналасқан. Демек, Күн көлемінің алпыс төрттен бір бөлігін
алып жатқан бұл аймақ тығыздығына байланысты күн массасының жартысын
иемденеді. Тап осы аймақта, ең жоғарғы температуралар мен қысымдар бар
аймағында термоядролық реакциялар мен энергия бөліну процестері жүріп
жатады.
Термоядролық реакциялардың Күн жүйесінде температурасы өте жоғары
күннің ішкі қойнауларында ғана өтетінін енді оңай түсінуге болады. Бір
аттас заряды бар протондар бір-бірін Кулон заңы бойынша кері тебеді.
Төменгі температуралар кезінде протондар мен ядролардың жылу
қозғалыстарының жылдамдығы және кинетикалық энергиясы аз. Кулонның кері
итеру күшін жеңіп, ядролық күштерді іске қосу жетерлік қашықтыққа жақындау
үшін бұл жылдамдық пен энергия аздық етеді. Кулон потенциялық кедергісінен
өтіп ядроға 10-13 см қашықтыққа жету үшін протонның шамамен 106 эВ
энергиясы болуы шарт. Алайда тіпті 107 К температура кезінде протондардың
жылу қозғалыстарының орташа энергиясы 103 эВ шамасында ғана.
Бұл кезде екі жағдай ғана көмекке келеді. Біріншіден, бөлшектердің
толқындық қасиеттеріне негізделген арнаулы кванттық құбылыс − туннельдік
эффектісі бар. Осы эффектіге байланысты энергиясы ядроның потенциялық
кедергісін өз күшімен бұзып өтетін протондардың энергиясынан көп төмен
протондардың белгілі бір бөлегі де ядроның кедергі күшін жеңе алатыны
көрінеді. Соның өзінде туннельдік эффектісін протондардың барлығы да
пайдалана алмайды екен, олардың ең жылдамдары ғана, энергиясы шамамен
2·104 эВ келетіндері ғана өте алады. Екінші қолайлы жағдай ─ жылдамдығы мен
энергиясы ортадан жоғары бөлшектер барлық уақытта да кездесіп тұрады.
Бұндай бөлшектің салыстырмалы түрдегі үлесі өте аз: күн қойнауларының
температурасы кезінде энергиясы 2·104 эВ, протондардың үлесі ≈ 10-8 ғана.
Осының бәрі Күндегі ядролық реакциялардың өте баяу өтіп жатқанының
себептерінің бірі. Протондар мен ядролардың түйісулерінің бәрі де олардың
бірігіп кетуіне әкеп соқпайды - энергия жетпейді.
Оқырман Күннің миллиардтаған жылдар бойы өмір сүріп келе жатып, оның
қойнаулары 14 млн К температурадан артыққа неге қызбайды деп сұрайтыны
анық. Қызу көбейген сайын ядроның кулондық кедергісін бұзып өтетін жоғарғы
энергиясы бар бөлшектердің саны сол бөлшектердің орташа энергиясынан
әлдеқайда тезірек көбеймей ме?
Мәселе мынада, күн қойнауларындағы заттар (күндегі барлық заттар сияқты)
белгілі газ заңдарына бағынады. Газ заңдарына тән ортақ қасиетті Клапейрон
теңдеуі сипаттай алады, онда құрамында п бөлшек бар газдың қысымы Р, көлемі
V және температурасы Т: рV = пкТ, мұндағы к= 1,380662·10-16 эргК—
Больцманның тұрақтысы.
Күн қойнауындағы кез келген аймақ немесе қатпарлар гидростатикалық
теңдікте болатынын біз жақсы білеміз: жоғары қатпарлардың салмағын ішкі
қойнаулардағы газдардың серіппелілігі мен жарық қысымы көтеріп тұрады. Егер
белгілі бір аймақтағы температура әлдебір себептерден жоғарылап кетсе, онда
ядролық реакциялар да жиірек өткен болар еді. Алайда температураның
жоғарылауы дегеніміз бөлшектердің жылулық қозғалысының жылдамдығы мен
импульстерінің өсуі яғни газдың серіппелілігі ұлғайды деген сөз. Бірақ та
күннің сыртқы қабаттарының салмағы өзгермегендіктен, белгілі бір аймақтағы
газдың массасының көлемі ұлғаяды да, оның серіппелілігі бұрынғы қалпында
қала береді, сондықтан да олардың арасындағы механикалық тепе-теңдік
жойылмайды. Газ массасының көлемі ұлғаюы (тағы да Клапейрон теңдеуі
бойынша) ондағы температураның төмен түсуіне, ядролық реакциялардың
баяулауына, сөйтіп бұрынғы тұрақты жағдайдың қайта орнығуына әкеледі. Газ
заңдары Күн қойнауындағы температураның және басқа да параметрлердің
тұрақты болып тұруын қамтамасыз етеді.
Ядролық реакциялардың жылдамдығы температурадан басқа реакцияға қатысқан
бөлшектердің проценттік арасалмағына да байланысты. Бұл жағдай түсінікті
болу үшін өте тез өтетін протон-протонды циклдің екінші бөлігіне назар
аударалық. Күн затында протондар сан жетпес көп, дейтрон пайда болғаннан
кейінгі бірнеше секунд ішінде онымен түйісуге даяр бөлшектердің арасында
кулон барьерін бұзып өтіп, 2Не3 ядросын құрай алатындай энергиясы бар
протон да пайда болады. 2Не3 ядросының өмірі өте ұзақ, концентрациясы тым
аз, сондықтан да арада миллиондаған жылдар өткенде ғана ол қажетті
энергиясы бар серік тауып, онымен біріге алады (олардың әрқайсысының кулон
кедергісі протондар және дейтрондармен салыстырғанда екі есе үлкен).
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.
Екі протонның массаларының қосындысы — 2,01455 м.а.б., нейтрон мен протон
массаларының қосындысы —2,01594 м.а.б., ал дейтронның массасы
-2,01354м.а.б. Ядролық күштердің (күшті әрекеттестік) жұмысына байланысты
пайда болатын масса ақауы энергетика тіліне аударғанда 2,2 МэВ, нейтрон
массасының протон мен пайда болып жатқан позитронның массасынан артығының
орнын толтырады, сонымен бірге белгілі бір энергия пайда болуына әсер
етеді. Материяның сақталу заңы бұл жерде бұзылмай тұр, бірақ бұл процестің
өту-өтпеуі неғайбыл. Реакцияның өту мерзімі шамамен 1010 жыл. Протон да
дейтрон құрамына кірмес бұрын осы уақыт шамасында өмір сүре алады.
Енді 1-суретке қайта оралайық. Бұдан бұрын айтқанымыздай ядролық
реакциялар кезінде шыққан энергияның негізі гамма-квант түрінде бөлінеді,
оның 4—5%-ін нейтрино алып кетеді. Нейтрино Күннің барлық қабаттарынан
еркін өте алады, оның энергиясы Күннің температурасы мен сәуле шашуына яғни
электромагниттік сәулеленудің қуатына еш әсер етпейді. Күннің ішкі
қойнауларында пайда болған электромагниттік сәулелену нейтриноға керісінше
сыртқа шығар жолда өте қуатты кедергілерге тап болады, өйткені күн
заттарының жарық өткізбеу мүмкіндігі өте жоғары.
Күн заттарының жарық өткізбеуіне бірнеше фактор себеп бола алады.
Біріншіден, еркін электрондарда квант сәулелері шашырап кетеді. Электрондар
өте көп, өйткені Күндегі кең тараған элементтер - сутегі мен гелий-ион
жағдайында, ал басқа элементтердің (мысалға темір) негізгі құрамы
иондалған, оларда электрондардың белгілі бір бөлігі ғана, олардың ең ішкі
қабаттарға орналасқандары ғана сақталған.
Жарық өткізбеудің екінші себебі – еркіндіктен-еркіндікке ауысуға
байланысты. Кванттың сәулеленуі мен жұтылуы электронның энергиясына
байланысты екені белгілі. Мысалға оның атомның бір орбитасынан екінші
орбитасына, басқаша айтқанда бір деңгейден екінші деңгейге ауысуына
байланысты. Алайда атомның ішіндегі электрон сияқты оң зарядты ионның
жанынан өтіп бара жатқан электрон да сәулені жұтып және қайта шығара алады
екен, бұндай кезде бұл бөлшектердің салыстырмалы қозғалысының (соған
байланысты энергиясы да) жылдамдығы да өзгеріске ұшырайды. Квантты жұтып
алған электронның жылдамдығы өседі де, сонан соң басқа ионның қасынан
өткенде баяулап, бойындағы энергияның белгілі бір бөлегін беріп кетуі де
мүмкін.
Жарық өткізбеудің үшінші себебі — протондардың электрондармен
рекомбинациясы және одан кейінгі ионизация. Электрон протонмен түйіскен
кезде оны протон өзіне тартып алса сутегінің бейтарап атомы құралады, осы
кезде квант бөлініп шығады. Рекомбинацияға ұшыраған атом өте аз өмір
сүреді, ол дәл сол жерде квантты жұтады да иондалады, ал электрон тағы да
бөлек қалады. Электронның рекомбинация мен иондалу кезіндегі ауысуының
еркіндіктен-еркіндікке ауысуынан айырмашылығы — бұл ауысу еркіндіктен —
байлануға және байланудан-еркіндікке ауысу деп аталады.
Сәуле өткізбеуге ауыр элементтердің иондары да едәуір әсер етеді. Күн
қойнауларының температурасы жағдайында олардың электрондары ядроға жақын
орбиталарда қалады, ал олар жеткілікті түрде жігерлі (қатқыл) кванттарды
жұтып жіберген кезде ядродан бөлініп кете барады, сөйтіп еркіндіктен -
байлануға және байланудан - еркіндікке ауысудың бірнеше түрі пайда болады.
Ауыр элементтердің салыстырмалы түрде өте аз (2%) болғанына қарамастан, Күн
заттарының сәуле өткізбеуінде шешуші роль атқарады.
Бұл процестер энергияның пайда болуына әсер етпегенімен, оның күн
қойнауларынан сыртқа шығуына үлкен кедергі келтіреді. Кванттың Күн
қойнауларындағы еркін жүретін жолының ұзындығы бар болғаны 6см. Бұны былай
түсіндіреміз. Ең әуелде квант Күн радиуысының бойымен сыртқа қарай жылжиды
делік. Бар болғаны 6см жүргеннен кейін, ол шашырауға ұшырайды немесе
жұтылып кетеді де кейін қайта сәулеге айналады. Алайда сәулеге қайта
айналуында ол кез келген бағытқа қарай жүруі мүмкін. Квант қозғалысының
бағытын өзгертіп алады да, соның нәтижесінде кванттардың диффузиясы Күннің
орталық аймақтарынан оның сыртына қарай өте баяу өтеді. Қандай жағдайда
болса да Күннің ядросында дәл қазір пайда болған энергия шамамен 1млн
жылдан кейін ғана фотосфераға жетіп, әлемдік кеңістікке шыға алады.
Салыстыру үшін келтіре кетелік: бостандыққа шығып алған жарық бар болғаны
8 мин 19 с ішінде Жерге жетеді, Күн мен Жердің орташа арақашықтығы 149,6
млн.км (бұл қашықтық Күн радиусынан 215 есе ұзақ).
Сәуленің Күн қойнауларынан сыртқа шығуына осындай қиындықтар кедергі
болғанымен, оның орталық аймақтарынан энергияның сыртқа шығуында сәулелену
шешуші роль атқарады. Бұл жерде жылу өткізгіштік ешқандай роль атқармайды,
ал конвекция тек қана сыртқы қабаттарында, орталықтан 0,85-0,86 Rс
деңгейден бастап пайда болады (бұл жердегі Rс -Күннің радиусы). Бұл
деңгейде температура 500 мың К-ге дейін төмендейді. Күннің орталық
аймақтарында сутегі мен гелийдің барлық атомдары аз ғана уақытқа
рекомбинацияға ұшырап, онан соң қайта иондалып, одан соң үнемі иондалған
қалыпта болады. Ал Күннің сыртқы қабаттарында бейтарап атомдар мол
кездеседі, олардың салыстырмалы саны күннің шеткі қойнауларына жақындаған
сайын көбейе түседі. Бұлар байланудан-еркіндікке және еркіндіктен-байлануға
ауысуды өте көбейтіп жібереді, соның арқасында Күн заттарының жарық
өткізбеу қасиеті күшейе түседі. Күннің ішкі қойнауларынан келіп жатқан
энергия енді электромагниттік сәуле ретінде сыртқа шыға алмайды, энергия
шығарудың жаңа процесі -конвекция пайда болады.
Кванттардың бөліну механизмін түсіну үшін сутегі атомының
деңгейлерінің схемасына (2-сурет) назар салайық.
5-сурет. Сутегі атомындағы әрекетке ену деңгейінің және
олардың арасындағы Лайман, Бальмер және т. б. серияларының линияларын
беретін ауысу схемасы
Сыртқы кеңістікке кванттар еркін шыға алатын Күннің сыртқы қабаты
фотосфера деп аталады, Күнді жап-жарық қылып бізге көрсетіп тұрған да осы
фотосфера. Фотосфераның сапалы түсірілген суреттерінен оның кейбір
аймақтары түйіршіктерден — сансыз майда гранулалардан құралатынын көреміз.
Бұл аймақтар 5 минут ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- 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
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz