Негізгі ұғымдар мен анықтамалар
Анықтамалар. Барлық энергия көздерін екі топқа бөлуге болады.
1. Жаңартылмалы энергия көздері – бұл қоршаған ортада кейбір кезеңдерде туындайтын немесе тұрақты болатын энергия ағымының көздері.Мұндай қайнар көздің қарапайым мысалы – 24 сағат бойы қайталанатын күн сәулесі. Жаңартылмалы энергия қоршаған ортада адамдардың мақсатты қызметінің нәтижесі ретінде көрінбейді, бұл оның негізгі ерекшелігі.
2. Жаңартылмайтын энергия көздері – энергия өндіру үшін адамар қолданатын табиғаттағы заттар мен матриалдардың қоры. Мысал ретінде ядролық отынды, көмір, мұнай, газды алса болады.
Сур .Жаңартылатын және жаңартылмайтын энергия көздерін қолдану процесстері жүйесі.
АБВ-қолданылмайтын жаңартылатын энергия ағыны. ГДЕ-қолданылатын энергия ағыны.
Энергия көздері.Бес негізгі энергия көзі бар:
1) Күн энергиясы;
2) Күн,Ай және Жер тартылысы мен қозғалысы;
3) Жер ядросының жылулық және химиялық реакция,радиоактивті бөліну энергиясы;
4) Ядролық реакциялар;
5) Әртүрлі қосындылардың химиялық реакциясы;
1-3 дейін жаңартылатын энергия көздері.Жаңартылмайтынға 1(қатайған органикалық қосындылар негізіндегі отын), 3 (ыстық тау жыныстары) , 4 және 5 .
Таблица 1.1.Жаңартылатын және сарқылатын энергия көздерінің энергожүйе сипаттамаларын салыстыру.
Сур. Жаңартылатын энергия көздері және олардың қолданылуы.Сандар энергия көзінің терраваттағы қуатын көрсетеді(1012 Вт) . Назарды энергия көздерінің қуаттарының үлкен айырмашылығына(1:105) және күн энергиясының басымдылығына аудару қажет.
1.3. Жаңартылмалы энергия көздерін қолданудың ғылыми ұстанымдары
§1.2 берілген анықтамалардан жаңартылмалы және сарқылмалы энергия көздері арасындағы ұстанымдық айырмашылықтар көрініп тұр, сондықтан жаңартылмалы энергия көздерін оны қолдаудың ғылыми негізде жасалған ұстанымдары арқылы ғана тиімді пайдалануға болады.
Жаңартылмалы энергоресурстарды талдау. Бізді қоршаған кеңістікте үнемі жаңартылмалы энергия ағыны болады және энергетика осындай бар энергогесурстарға бейімделуі керек(жаңа көздер жасау мүмкін емес). Бұл сәтті ерекшелеу үшін Фиджидің астанасында жаңартылмалы энергия көздерін пайдалану мәселесіне байланысты болған конференцияда әзіл ретінде жыл бойы қоректенетін биоотынды энергоқұрылғыны қамтамасыз ету үшін шошқаның басы көрсетілді. Сондықтан мал шаруашылығында қолданылатын биоотынның санын есептеу кезінде керісінше емес, осыны қолдану керек. Осыдан жаңартылмалы энергетика көздерін дамытудан бұрын олардың қуатын нақты анықтау керек. Бұл осы қайнар көздерді тұрақты және ұзақ бақылау мен талдауды қажет етеді. Мысалы, 1.1 – суретте берілген ағынды алдымен бағалау керек.
Жаңартылмалы энергия көздерінің уақытша сипаттамасы. Энергияға қажеттілік уақыт бойынша тұрақты емес. Мысалы, электр энергиясына қажеттілік таңғы және кешкі мезгілде максималды көп болады, ал түнгі мезгілде минималды болады. Дәстүрлі жылу электр станциялары отын шығынын реттей отырып, энергияға осындай сұраныс тербелісін үндестіреді. Тура осы жаңартылмалы энергия көздерін қолдану кезінде энергияға сұраныс қана өзгермейді, осы көздердің қуаты да өзгереді. Сондықтан осындай көздер арқылы жұмыс істейтін энергоқұрылғылар көбінесе бір біріне қарама-қайшы келетін екі факторды да ескеруі керек (1.1 – суреттегі Г және Д). 1.2 – кестеде түрлі жаңартылмалы энергия көздерінің қуатын анықтайтын негізгі параметрлер орналасқан және оның күлтілдеуіне тән кезең берілген, олар аймақтық ерекшеліктерге тәуелді. 1.2 – кестедегі энергия көздері олар қуатындағы тербелістің өсуі реті бойынша орналасқан: тұрақсыздардан(жел) қатаң тұрақтыларға дейін(құйылу). Күн энергиясының тұрақтылығы географиялық ораналасу мен биіктікке тәуелді, мысалы Хартумда және Глазго тізімінде.
Энергия көзінің сапасы. Энергия көздерінің сапасы жайлы жиі айтылады, бірақ оның не екенін анықтамайды. Энергия көздерінің сапасы дегенде механикалық жұмысқа айналатын қайнар көздегі энергияның үлесін түсінеміз. Мысалы, электр энергиясының сапасы жоғары болады, себебі электр қозғалтқышының көмегімен оның 95%-ын механикалық жұмысқа айналдырады. Әдеттегі жылу электр станцияларында отынды жағу кезінде бөлінетін жылу энергиясының сапасы айтарлықтай төмен, себебі отынның 30%-ы ғана механикалық жұмысқа айналады. Осы белгілері бойынша жаңартылмалы энергия көздерін үш топқа бөлуге болады:
1. Механикалық энергия көздері, мысалы гидро-жел көздері, толқын және құйма көздер. Жалпы айтқанда бұл электр энергия көздерінің сапасы жоғары және олар электр энергиясын өндіру үшін қолданылады. Жел энергиясының сапасы – 30% шамасында, гидроэнергия – 60%,ал толқын және құймалар - 75%.
2. Энергияның жаңартылмалы жылу көздеріне мысал ретінде биоотын мен күннің жылу энергиясын алуға болады. Мұндай көздердің механикалық жұмысқа айналатын жылуының максималды үлесі термодинамиканың екінші заңмен анықталады.
3.Фотонды үдерістердің негізіндегі энергия көздеріне фотосинтезді(10 - бөлім) және фотоэлектрлік құбылыстарды(7 - бөлім) қолданатын энергия көздері жатады. Мысалы, белгілі жиіліктегі күн сәулесін арнайы фотоэлектрлік түрөзгерткіштердің көмегімен механикалық жұмысқа айналдыруға болады. Күн сәулесін барлық спекторда өзгерту кезінде жоғары тиімділіке қол жеткізу қиын және ПӘК фотоөзгерткіштердің парктикасында 15% жақсы болып есептелелі.
Ыдыраған энергия немесе төмен тығыздықты энергия. Жаңартылмалы және сарқылмалы энергия көздері энергияның алғашқы ағымындағы тығыздығының әртүрліліне байланысты ерекшеленеді. Жаңартылмалы энергия көздері үшін бұл көлем 1кВт/м3 шамасында болады (мысалы, күн сәулесінен алынатын энергия тығыздығы, 10м/с жылдамдықтағы желдің тығыздығы), ал сарқылмалы көздер үшін бұл мән одан да жоғары болады. Мысалы, бу қазандықтарындағы жылу жүгі 100кВт шамасында, ал ядролық реакторлардың жылуалмастырғышында 1м2-қа бірнеше мегаваттан келеді. Металды шақпақтау цехында энергия тұтынушылар оның анағұрлым аз тығыздығын қолданады.
Энергоқұрылғыларда орналасқан сарқылмалы және жаңартылмалы энергия көздеріндегі энергия ағымы тығыздығындағы айырмашылықтарға байланысты біріншісі құрылғының жеке қуаттылығы үлкен болғанда тиімді. Алайда бұл жағайда энергияны тұтынушылар арасына бөліп беру үлкен шығынды қажет етеді. Екіншілер жеке қуатттылық аз болғанда тиімді, бірақ мұндай құрылғыларды бір жүйеге біріктіру үшін үлкен шығын қажет болады.
Практика көрсеткендей, жаңартылмалы энергоресурстарды қолдану ауылдық аймақтардың экономикалық дамуын тездетеді және бұл энергетика өзінің ерекшелігіне қарай қалалық жерге емес, ауылдық жерге сай келеді.
Жаңартылмалы ресурстар бойынша энергетиканы жоспарлаудың кешенді тәсілі. Жаңартылмалы энергия көздері қоршаған ортаның ажырамас бөлігі және оларды зерттеу қандай да бір ғылыми пәннің, мысалы физика немесе электротехника шеңберінде ғана қалып қалмайды. Көбінесе зерттеу шеңбері өндірістік бтотехнологиядан электроника мен басқару үдерістеріне дейінгі аралықты қамтиды.
Кешенді жоспарлаудың тамаша мысалы ретінде Филиппиндегі кейбір аргоөндірістік өнеркәсіптерді алуға болады(§11.8 қараңыз). Мал шаруашылығы мен өсімдік шаруашылығының қалдығы метан өндіру үшін, сонымен қатар сұйық және қатты отынды өндіру үшін шикізат ретінде қолданылады, ал жалпы алғанда тыңайтқыш пен ауыл шаруашылығын жоғары тиімділікте жүргізу үшін қажет.
Нақты жағдайдың анықтаушы рөлі. Бірде бір жаңартылған энергия көзі кез келген жағдайда қолданылытындай әмбебап емес. Ол үнемі нақты табиғи жағдайлармен және қоғамның қажеттілігімен, яғни жағдайларға байланысты анықталады. Сондықтан жаңартылмалы ресурстар энергетикасын жоспарлау үшін біріншіден, мұнай іздеу барысында геологиялық зерттеулерге ұқсас қоршаған ортаны жүйелі зерттеу, екіншіден, өндірістік, ауылшаруашылық өндіріс және тұрмыстық қажеттіліктер үшін энергияның нақты аймақтық қажеттіліктерін зерттеу қажет. Көбінесе анағұрлым тиімді энергия көздерін таңдау үшін энергияны тұтыну құрылымын білу қажет. Бұл жағдайда жаңартылмалы ресурстардағы энергетика ауылшаруашылық өндіріспен бірдей болады, онда қандай да бір түрді егу тиімділігі топырақтың сапасына, табиғи жағдайларға және оған нарықтағы сұранысқа байланысты болады. Бұл жерден мынандай қорытынды шығады: жаңартылмалы көздердегі энергетиканы жоспарлаудың қарапайым немесе әмбебап әдісін халықаралық деңгейде жасау да, бір мемлекет шеңберінде жасау да мүмкін емес. Мысалы, Италияның онтүстігіндегі күн энергетикалық құрылғылары Бельгиядағы құрылғылар сияқты болмайды, тіпті Италияның солтүстігіндегі құрылғыларға да ұқсамауы мүмкін. Дақылдан алынатын спиртті отын ретінде қолдану Миссури штатына тән, ондай жаңа Англияда жоқ, т.б. сияқты. Жаңартылмалы көздердегі энергетиканы жоспарлау аумағы 250км шамасында, ол 2500 км болуы мүлде мүмкін емес. Өкінішке орай, заманауи кенттену мен өнеркәсіпті қоғам мұндай көп нұсқалы жаңартылмалы энергия көздерін қолдануға бейімделмеген.