Тік ості жел электр генераторлар

8-сабақ
Тақырып: Желдің пайда болуы табиғаты және жұмыс тәртібі
Жоспар:
Желдің пайда болу табиғаты.
Жұмыс тәртіптері бойынша жел генераторларын классификациялау
Қазақстанның аймақтарында жел энергиясын пайдаланудың мүмкіндігі
Жел қондырғысының түрлері және құрылымы.

Жел энергетикасы
Қазақстанның дәстүрлі жел энергиясы қондырғыларын пайдалану кезіндегі жел энергетикалық әлеуетін пайдаланудың техникалық мүмкіндігі 3 млрд. кВт/сағ. бағалануда.
Жоңғар қақпасындағы жел энергетикалық ресурстары барынша маңызды болып табылады (17000 кВт сағ/ш.м.). келешегі бар басқа аудандардан Ерейментау (Акмола обл.), Форт-Шевченко (Каспий теңізінің жағалауы), Қордай (Жамбыл обл.) және басқаларын атап кетуге болады.
Статистикалық деректер бойынша, Қазақстандағы жаңғыртылатын ресурстар мен энергия көздерінің теоретиялық потенциалы жылына шамамен 1820 млрд. кВт/сағ құрайды, бұл республиканың барлық отын-энергетикалық ресурстарын пайдалану көлемінен 25 есе асып түседі, ал экономикалық әлеует 110 млрд. кВт/сағ. деп бағаланып отыр, бұл ҚР энергоресурстарды жылдық ішкі тұтынудан 1,5 есе көп [31,32,33].
Және жел потенциалының бірқатар жерлердегі тығыздығы 1 ш.км. - 10 МВт құрайды. Солтүстік, Орталық, Батыс және Оңтүстік-Шығыс Қазақстанның аудандарының ресурстары жоғары, әсіресе Жоңғар қақпасы мен Шелек дәлізінде, сондай-ақ Астана, Форт-Шевченко және Арқалық, бұл жерлерде желдің орташа жылдық жылдамдығы сәйкесінше 7-9 м/с және 5-9 м/с құрайды [19, 24, 27, 41].

Желдің пайда болу табиғаты
Жер қабатының беті Күн сәулесінің энергиясынан барлық жерлерінде бірдей қызбайды. Өйткені жердің беті бір текті емес: құрғақ және сулы кеңістіктер бар әрі олар бірдей кеңдікте емес сондықтан таулы, орманды, шөлді далалар және батпақты жерлер әртүрлі температурада қызады. Күні бойы теңіз бен мұхиттың ауасы біршама салқын болады, өйткені күн энергиясының едәуір бөлігі судың булануына шығындалады немесе оған сіңіріледі сондықтан су бетінің ауасының температурасы тәулік бойы өзгеріп отырады. Үлкен теңіз бен мұхиттың жағалауларында ауа қозғалысы тұрақты алмасымды қозғалыста болып тұрады соның салдарынан бұл аймақтарда тұрақты жел тұрады (теңіз бризі деп атайды).
Құрғақ шөл және шөлейтті жерлердің үстінде ауа қатты қызады, тығыздығы төмендейді мұндай аймақтарда ауа қозғалысы жоғары болады. Осының бәрі желдің пайда болуына әкеледі.
Жер атмосферасының айналып келулік табиғаты инерциялық күштің нәтежиесінде туындайды, ол жердің өз осінің айналуынан пайда болады. Олар әртүрлі ауа ағындарының ауытқуын түзейді.
Желдің тұру бағыты және желдің жылдамдығы сол аймақтың жер беті биіктігіне байланысты әртүрлі бағытта өзгеруі мүмкін.
Экваторға жақын жер бетінде орналасқан аймақта жел жылдамдығы едәуір жоғары. Жер бетінің 1 және 4 км биіктігінде, 300 аймақтың аралығында солтүстік және оңтүстік кеңдікте бірқалыпты әуе ағындары түзіледі, оны пассат деп атайды. Орташа жылдамдығы 7-9 м/с құрайды.

1- сурет. Желдің жер бетіндегі қозғалу динамикасы

Қазақстанның аймағын жел ресурстарына сай бөлу және жел тұратын аймақтар

Қазақстан аймағын желэнергетикалық ресурстармен аудандастыру
Қазақстан аймағын желэнергетикалық ресурстармен аудандастыруды 5 ауданға бөлуге болады, аудандастыру желдің келесі қуаттылық көрсеткіштері бойынша жүргізілді: 1-аудан-Ебірлік<10 кВт сағ/м2, 2-аудан 1000-нан 2000-дейін, 3-аудан 2000-нан 3000-дейін, 4-аудан 3000-нан 4000-дейін, 5-аудан 4000 кВт сағ/м2 аса.
Бұл мәліметтер Қазақстан аумағын желэнергетикалық ресурстармен аудандастыруының картасын құрғанда негізге алынды [1,2,8,35].
Бірінші аймаққа Солтүстіктегі Тянь-Шанда орналасқан Шу-Іле таулы аймағы кіреді. Олар өз алдында құламалы беткеймен шектелген шамалы көлбей беттерімен тегістелген қыраттарды құрайды ол аймақтарға - Қордай, Отар, Шоқпар, Анархай, Новотройск жатады. Бұл аймақтардың энергиясы 1000-5000 кВт сағ/м2 тең.
Екінші аймақ Орталық-Қазақстандағы кең таулар аясындағы көптеген кішігірім жеке таулы массивтерді және шағын кіші жоталарды алып жатыр. Бұл массивтердің ең биіктерінің биіктігі 1400-1450 м.
Бұл аймаққа Қарқала, Қайнар, Ақтоғай, Жарма, Жаңа-Арқа, Қараауыл, Бесоба, Бектаута, Ағадыр, Қызылтау, Сарыжал елді мекендері кіреді метеостанция мәліметтері бойынша анықталған энергия 1000-нан 5000 кВт сағ/м2 тең.
Үшінші аймаққа Ұлытау таулары кіреді, сонымен қатар кең қыратты болып саналатын Орталық-Қазақстанның кіші жотасының Оңтүстік-батыс, батыс бөліктері, сонымен бірге - арқалық аудандары кіреді. Энергиясы 1000-нан 5000 кВт сағ/м2 аралықта.
Төртінші аймақ Солтүстік-батыс жақтағы аралығы 420 км болатын аймақ және солтүстік Тянь-Шань доғасының батыс буыны болып табылатын Қаратау жотасы төртінші аймаққа жатады (Жанатас, Шаян, Түркістан) Бұғұн, Ванновка, Ақсұран, Созақ және Тасты метеостанция мәліметтері бойынша анықталған энергиясы 1000-нан 5000 кВт сағ/м2 тең.
Бұл аймақта Ащысайдың жан-жағы таулармен көлеңкеленген аса үлкен емес таулы алқаптар бар. Оңтүстік және оңтүстік-батыс Қаратау жотасында туындайтын кішігірім желэнергетикалық ресурстары бар аудандар кездеседі.
Бұл жерлерде жота негізгі Алатау тауларымен қосылады және жоғары биіктікке ие. Метеостанция бұл аудандарда көлеңкеленгендіктен аса үлкен емес энергияны көрсетеді. Ашық беткейлерде және жоталы аймақтарда жел энергиясының күрт жоғарылауын күтуге болады.
Бесінші аймаққа Оңтүстіктің сілемі болып табылатын Мұғаджар таулары, Жетіқара, Шалқар, Рудный, Тереңқұдық, Талдық, Комсомольск, Аққұдық елді мекендерінің аймақтары жатады энергиясы 1000-нан 4000 кВт сағ/м2 құрайды.
Қазақстан аумағын аудандастыруының схемасы осы аудандарды қамтиды ол сол аймақтың желэнергетикалық ресурстарын сипаттайды.
Орындалған аудандастыру Республика аймағында жел энергетикалық қондырғылардың қолдану болашағын айқындауға мүмкіндік береді.
Республиканың жел потенциалы бағасын энергияны тұтыну көлемімен салыстырып, электрді Қазақстанға қажеттімен салыстырғанда 20 есеге артық беретінін көруге болады [33,25,38].

Қазақстан аумағындағы жел энергиясының ресурсы

N
Аймақ
Қамтитын аумақ, мың.км[2]
Әлеуметтік ресурстар, млрд.кВт сағ
КПД ЖЭҚ әлеуметтік есеппен, млрд.кВт сағ
1
Шығыс Қазақстан
277,1
3000
30
2
Оңтүстік-Шығыс
223,2
3100
31
3
Оңтүстік Қазақстан
499,9
5600
56
4
Солтүстік Қазақстан
237
2700
27
5
Орталық Қазақстан
762,2
9100
91
6
Батыс Қазақстан
7292
8800
87
7
Барлығы
2718,1
32200
322

Жел электростансалардың бірнеше жобалары дайындықтың 2015 жылға дейін жел стансаларының бірлескен қуаттылығы 250 МВт жетуі мүмкін, ал олардың электр энергиясын шығаруы - жылына 750-900 млн. кВт сағ жетеді деп жоспарлануда.
2030 жылға қарай бұл көрсеткіштер сәйкесінше жылына 2000 МВт және 5 млрд. кВт сағ. жетуі мүмкін.
Желдің орташа жылдамдығы 8-10 м/с болатын үлкен жел әлеуеті бар 10-нан астам аудан бар.
ЖЭС салу құрылысына зерттелген аумақтар

№
Аумақтың атауы
Жел жылдамдығы,м/с (80 м жоғары)
ЖЭС Қуаты, мВт
1
Жоңғар қақпасы
10,1
50-250
2
Шелек қақпасы
8,01
50-300
3
Кордай
6,06
20
4
Жүзімдік-Шаян
7,61
50-350
5
Астана
7,25
20
6
Ерейментау
8,09
50-500
7
Қарқаралы
5,91
10
8
Арқалық
7,52
10-50
9
Атырау
7,88
50-100
10
Форт-Шевченко
8,43
50

Жұмыс тәртіптері бойынша желгенераторларын классификациялау
Желқозғалтқышы бар жүйелер үш класқа бөлінеді.
Бірінші класына желді дөңгелектері тік жазықтықта орналасатын жел қозғалтқышы жатады; осыған байланысты айналу жазықтығы жел бағытына перпендикуляр және жел бағыты дөңгелектің осі ағынға параллель. Мұндай желқозғалтқыштар қанатты деп аталады 13.3-сурет.
Кейбір қанатты желқозғалтқыштарда желді дөңгелектің осінде горизонталь жазықтыққа қатысты 6 дан 8о дейін иіні болады.

2- сурет. Қанатты пішінді желқозғалтқышы..
Қанатты желқозғалтқыштар желді дөңгелектің типіне және жүрісіне байланысты үш топқа бөлінеді:
Екінші класына желді дөңгелектің вертикальды айналу осі бар желқозғалтқыш жүйесі жатады. Конструктивті жүйе бойынша олар екі топқа бөлінеді:
- жұмыс істемейтін күрекшелері шымылдықпен бүркеліп тұратын немесе желге қарсы қырынан орналасқан әткеншекті желқозғалтқыш;
- Савониус жүйесіндегі роторлы желқозғалтқыш.
Үшінші класына сулы диірменді дөңгелек принципі бойынша жұмыс істейтін дағыралы деп аталатын желқозғалтқыш жатады. Бұл желқозғалтқыштың айналмалы осі жел бағытына горизонталь және перпендикуляр (13.4-сурет).

3-сурет. Дағыралы пішінді желқозғалтқышы

Әлі де өрістеу алмаған басқа да жүйелер бар.
Қолдану классификациясында желқозғалтқышта айналудағы жел күшінің негізгі жұмыс принципін қарастырамыз.

4-сурет. Желқозғалтқыштарының түрлері

Желқондырғылары екі негізгі белгілері бойынша бөлінеді - жел доңғалағының геометриясы және оның желге сәйкес бағытта орналасуы.
Желэнергетикалық қондырғылардың негізгі классификациялық белгілерін төменде келтірілген анықтамадан анықтауға болады [1,2,4,41].
Көлденең ості жел электр генераторлар. Көлденең ості пропелерлік желдоңғалағын қарастырайық. Бұл типтің негізгі айналдыру күші - көтеру күші болып саналады. Желдоңғалағы жұмыс жағдайында желге салыстырмалы тіреу мұнарасының алдында немесе оның артында орналасады. Алдында орналасқан жағдайда желдоңғалағы аэродинамикалық қалыптастырғыш немесе басқа да оны жұмыс жағдайында ұстап тұратын қондырғылардан тұру керек. Артында орналасқан жағдайда мұнанралық желдоңғалағын жел ағынын құйыны арттырады. Доңғалақтың мұндай жағдайында жұмыс жасауында айналмалы (циклдік) жүктеме пайда болады, қатты шуыл және желдоңғалағының флуктуациясы болады. Жел бағыты тез өзгеруі мүмкін және желдоңғалағындағы бұл өзгерістерді анық түрде анықтап отыру керек. Сондықтан күші 50 кВт-тан көп ЖЭҚ-да осы мақсат үшін сервоқозғалтқыштарды пайдаланады.
Жел электрогенераторларда екі және үш қалқанды желдоңғалағын пайдаланады, соңғысы дыбыссыз жүріспен ерекшеленеді. Электргенератор және редуктор (желдоңғалағын қосатын), негізінен тіреу мұнарасының жоғарғы жағында айналмалы баста орналасқан. Оларды төменгі жағына орналастыру ыңғайлы, алайда айналу моментінде болатын қиыншылықтар әсерінен бұл тәсіл өз-өзін ақтамайды. әлсіз желде үлкен айналу моментін тудыратын көпқалқанды доңғалақтар суды айдап шығару үшін және басқа да үлкен айналу жиілігін қажет етпейтін мақсаттарда пайдаланылады.
Тік ості жел электр генераторлар. Тік ості жел электрогенераторлар өзінің геометриясының арқасында әрқилы желбағытында жұмыс жасайды. Мұндай схема біліктің (валдың) ұзару есебінен өндіргішті өзгеркіш (генераторлы редукторды) мұнараның төменгі жағына орналастыруға мүмкіндік береді.
Мұндай қондырғылардың жетіспеушілігіне мыналар жатады:
- автотербеліс үдерістері әсерінен туындайтын жоғары бүлінушілігі;
- айналу үдерісінің тоқымасынан (пульсациясынан) туындайтын - өндіргіштің көрсеткішінің (генераторлар параметрі) шығысының тоқымасы (пульсациясы).
Осы себептерден көптеген жел электр генераторлар көлденең ості схемамен жасалған, алайда тік ості қондырғылар әлі де зерттелуде.
Көп тараған тік ості қондырғылар.
Кесе пішіндес ротор (анемометр). Осы типтегі жел доңғалағы кедергі күші әсерінен айналады.
Савониус роторы. Бұл дөңгелек те кедергі күші әсерінен айналады. Оның қалқандары жіңішке майыстырылған жапырақтан істелген, яғни арзан және қарапайымдылығымен ерекшеленеді. Айналу моменті әртүрлі кедергі әсерінен пайда болады, ол ішке немесе сыртқа қарай майыстырылған қалқан роторы. Үлкен геометриялық толу әсерінен бұл желдоңғалақтары үлкен айналу моментіне ие және суды айдап шығару үшін пайдаланылады.
Дарье роторы. Айналу моменті көтеру күшінен туындайды, ол аэродинамикалық профилі екі немесе үш жіңішке майыстырылған беттен шығады. Көтеру күші қалқан үлкен жылдамдықпен жел ағынын қиып өткенде максималды болады. Дарье роторы жел электрогенераторларында пайдаланылады бастапқыда ротор өздігінен айнала алмайды, сондықтан осы мақсатқа генераторды пайдаланады [15,25,38].

5-сурет. Көп тараған тік ості жел қондырғылары

Масгрув роторы. Бұл желдоңғалақ қалқандары жұмыс жағдайында тік орналасқан, ал оны тоқтатқанда көлденең оспен айналу мүмкіндігіне ие. Масгрув роторының көптеген түрлері бар, бірақ олар қатты желде жұмыс жасай алмайды.
Эванс роторы. Бұл ротордың қалқандары апатты жағдайда орналасқан және оны басқарғанда тік осі бойымен айналады.

Концентраторлар. ЖЭҚ-ң күші жел ағынын пайдалы жағынан қолданғанға байланысты. Оның жұмысын жақсарту үшін жел ағынын үлкейтетін арнайы концентраторлар ( күшейткіштер) пайдаланылады
Көлденең ості жел электрогенераторлар үшін көптеген концентраторлар жасалған олар диффузор немесе дефлектор конфузоры болуы мүмкін. Алайда концентраторлар өндіріс қрондырғыларында кең қолданыс таппаған.

Желгенераторларының жұмыс істеу тәртібі, сипаттамалары, түрлері
Жел генераторлары жел қозғалысының энергиясын электрлікке түрлендіруге арналған. Жел генераторының әрекет принципі келесідей: жел қысымымен ток генераторының роторын айналдырып, қалақшалар қозғалысқа түседі (әдетте үш фазалық).
Өндірілген электр энергиясы контроллерге жіберіледі. Ол аккумуляторлар зарядына арналған кернеуді және токтың тиімді күшін қамтамасыз етіп, сондай-ақ қатты дауылда жүйені сақтандырып, басқару функциясын атқарады. Контроллерден аккумуляторлар заряд алады.
Өнеркәсіптік жел жағдайында, электр желі бойымен басты станцияға жіберіледі. Үйдегі жел генераторларында ток инвертормен электр. желісіне пайдалану (220 В) үшін түрленеді де тұтынушыларға жіберіледі [1,15,25].

6-сурет. Энергиямен қамтамасыздандырудың автономды жүйесі