Ғылыми жоба "Күнэнергиясын пайдалану" 4 сынып

ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫ БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТРЛІГІ

Ахмет Байтұрсынұлы атындағы гимназия

Тақырыбы:

Күн энергиясын пайдалану

Бағыты: Қоршаған әлем-экология, жануарлар мен өсімдіктер әлемі

Орындаған: Тамдыбек Ақнұр 4 «а» сынып оқушысы

Ғылыми жобаның жетекшісі: Бағатаева Шолпан

Қаратау қаласы

Мазмұны:

Кіріспе...................................................................................................................3

Негізгі зерттеу бөлімі

1. Күн энергиясының қорлары.........................................................................4

2. Күн энергетикасы..........................................................................................5

3. Күн энергиясының қолдану салалары.........................................................8

4. Күн энергиясын пайдаланудың артықшылықтарымен кемшіліктері..........................................................................................11

Қорытынды..................................................................................................14

Пайдаланылған әдебиеттер тізімі..................................................................16

\

Кіріспе

«Дәуір алмасып, заман өзгереді. Қазір байырғы қазақ жерінде жаңа азаматтық қоғам қалыптасуда. ХХІ ғасырда қазақтар мемлекет құраушы ұлт ретінде жаңа белеске көтеріліп, Қазқстан халқының берік өзегіне, сенімді діңгегіне айналуда»

Н.Ә.Назарбаев

Энергия тұтыну адамзат тіршілігінің міндетті шарты болып табылады. Сондықтан адамдар ертеден күн энергиясын тиімді пайдалану жолдарын қарастырды. 1839 жылы Александр Эдмон Беккерель фотогальваникалық әсерді ашты. 44 жылдан соң Чарльз Фриттс күн энергиясын қолданатын алғашқы құрылғыны құрастырды. 1883 жыл күн энергетикасы дәуірінің туған жылы болып есептеледі.

Қазiргi заманғы қоғамда мемлекеттердiң индустриялық дамуының деңгейi олардың ресурстық мүмкiндiктерiмен және технологиялық қайта өңдеудiң төменгi деңгейлi өнiм өндiру мөлшерiмен ғана емес, технологиялық тұрғыдан ғылымды қажетсiнетiн, озық салалардың даму дәрежесiмен де анықталады.

90-жылдардың басынан бастап энергетикалық және экологиялық проблемалардың өсуiне байланысты экономикалық жағынан дамыған мемлекеттердiң үкiметтерi күн энергетикасын дамытуға елеулi қаржы сала бастады.

Заман көші алға озып, экономика дамыған сайын қоршаған ортаны қорғау қиынға соғып барады. Өндірісті дамытпаса, экономика алға баспайтыны белгілі. Бұл жолдан өгізді де өлтірмей, арбаны да сындырмай аман-есен алып шығудың жалғыз жолы – «жасыл экономиканы» дамытудың маңызы зор. 

        Осы ретте, «жасыл экономика» ұғымына түсінік бере кетелік. «Жасыл экономика-Қазақстан қабылдаған халықаралық міндеттемелерге сәйкес және болашақ ұрпақтың мүддесі үшін табиғи шикізат қорларын тиімді жәнерационалды қолдану арқылы тұрғындардың әл-ауқатының артуына жеткізетін табысты экономика. Электр және жылу энергиясының генерациясы, газ өндіру, су ресурстарын пайдалану, ауыл шаруашылығын тұрақты дамыту, өнеркәсіп қалдықтарын басқару мен тұтыну,көлік және жол инфрақұрылымы жасыл экономиканың негізгісекторлары болып саналады.

Негізгі зерттеу бөлімі

Күн энергиясының қорлары

Көптеген сарапшылар 2010 — 2020 жылдары көмiрсутегi шикiзатын ұсынудың төмендеуi байқалатынын болжайды. Осының салдарынан 2025 жылға қарай әлемдiк энергетикалық теңгерiмдегi энергияның жаңғыртылатын көздерiнiң үлесi қазiргi 5%-дан 10%-ға дейiн, ал 2050 жылға қарай 50%-ға дейiн өседi, 2010 жылға қарай ЕО елдерiнде бұл үлес 12%-ға дейiн (2000 жылғы 6%-ға қарағанда), ал жалпы электр энергиясы өндiрiсiнде 22%-ға дейiн ұлғаяды.       Қазiргi заманғы күн фотоэнергетикасы қуаттылығы соңғы жылдары бұрын-соңды болмаған жылдамдықпен жылына 30-40%-ға өсiп отырған гетероқұрылымдар негiзiнде кремний фотоэлементтерiне негiзделедi. Әлемде жалпы алғанда күн фотоэнергетикасының қондырғылары қазiр жылына бiр гигаватт энергия өндiредi. 2003 жылға қарай болжанып отырғандай, бұл сан 200 гигаватқа дейiн өседi.

Жер шарында пайдалы қазбалардың түрі өте көп. Бірақ бұл – «олар мүлдем сарқылмайды» деген сөз емес. Әсіресе, бүгінде отынның таптырмайтын түрлері мұнай мен газдың қоры жыл санап кему үстінде. Ғалымдарымыздың жуықтаған есептеулері бойынша қазіргі қарқынды тұтыну екпіні жалғаса берсе, табиғаттағы газ қоры шамамен 50 жылға, мұнай қоры 40-50 жылға ғана жететін сияқты. Сондықтан энергияны үнемді қолдана отырып, онымен тікелей бәсекеге түсе алатын басқа да энергия түрлерін – атом, су, жел, күн, т.б. энергияларды пайдаланудың маңызы өте зор. Аталғандардың ішінде энергияның қосымша көзінің бірі – Күн энергетикасы.

Күн энергетикасы

Күн энергетикасы дегеніміз –  дәстүрлі емес энергетика бағыттарының бірі. Ол күннің сәулеленуін пайдаланып қандай да бір түрдегі энергияны алуға негізделген. Күн энергетикасы энергия көзінің сарқылмайтын түрі болып табылады, әрі экологиялық жағынан да еш зияны жоқ. Күннің сәулеленуі – Жердегі энергия көзінің негізгі түрі. Оның қуаттылығы Күн тұрақтысымен анықталатындығы белгілі. Күн тұрақтысы –  күн сәулесіне перпендикуляр болатын, бірлік ауданнан бірлік уақыт ішінде өтетін күннің сәуле шығару ағыны. Бір астрономиялық бірлік қашықтығында (Жер орбитасында) күн тұрақтысы шамамен 1370 Вт/м²-қа тең. Жер атмосферасынан өткен кезде Күн сәулеленуі шамамен 370 Вт/м² энергияны жоғалтады. Осыдан Жерге тек 1000 Вт/м²-қа тең энергия ғана келіп түседі. Бұл келіп түскен энергия әр түрлі табиғи және жасанды процесстерде қолданылады. Күн сәулесі арқылы тікелей жылытуға немесе фотоэлементтер көмегімен энергияны қайта өңдеу арқылы электр энергиясын алуға не басқа да пайдалы жұмыстарды атқаруға болады.

        Шындығында, қазіргі заманды электр энергиясынсыз мүлдем елестету мүмкін емес. Сол себепті де, электр энергияны алудың шығыны аз, экологиялық таза көздерін табу бүгінгі күннің негізгі мәселесіне айналып отыр. Әлем бойынша электр энергиясын ең көп өңдіретін елдерге АҚШ, Қытай жатады. Бұл елдерде электр энергиясының өндірісі әлемдік өндірістің 20%-ын құрайды. Соңғы кездері экологиялық проблемалар, пайдалы қазбалардың жетіспеушілігі және оның географиялық біркелкі емес таралуы салдарынан электр энергиясын өндіру желэнергетикалық құрылғыларды, Күн батареяларын, газ генераторларын пайдалану арқылы жүзеге аса бастады.

      Жалпы алғанда, Күн сәулеленуінен электр энергиясы мен жылу алудың бірнеше әдістері бар. Олар:

1)     Электр энергиясын фотоэлементтер көмегімен алу.

2)     Күн энергиясын жылу машиналарының көмегі арқылы электр энергиясына айналдыру (Жылу машиналарының түрлері: поршеньдік немесе турбиналық бу машиналары. Стирлинг қозғалтқышы.).

3)     Гелиотермальдық энергетика – Күн сәулелерін жұтатын беттің қызуы мен жылудың таралуы және қолданылуы.

4)     Термоәуелік электр станциялары (Күн энергиясының турбогенератор арқылы бағытталып отыратын ауа ағыны энергиясына айналуы).

5)     Күн аэростаттық электр станциялары (аэростат баллоны ішіндегі су буының аэростат бетіндегі күн сәулесі қызуы салдарынан генерациялануы).

        Күн энергиясын электр энергиясына айналдыратын қондырғылардың бірі – Күн батареялары.

Күн батареясы немесе фотоэлектрлік генератор – Күн сәулесінің энергиясын электр энергиясына айналдыратын шала өткізгішті фотоэлектрлік түрлендіргіштен (ФЭТ) тұратын ток көзі. Көптеген тізбектей-параллель қосылған ФЭТ-тер Күн батареясын қажетті кернеу және ток күшімен қамтамасыз етеді. Жеке ФЭТ-тің электр қозғаушы күші 0,5-0,55 В-қа тең және ол оның ауданына тәуелсіз (1 см² ауданға келетін қысқа тұйықталу тогының шамасы – 35-40 мА). Күн батареясындағы ток шамасы оның жарықтану жағдайына байланысты. Яғни күн сәулелері Күн батареясы бетіне перпендикуляр түскенде, ол ең үлкен мәніне жетеді. Қазіргі Күн батареяларының пайдалы әсер коэффициенті – 8-10%, олай болса 1 м² ауданға тең келетін қуат шамамен 130 Вт-қа тең. Температура жоғарылаған сайын (25ºС-тан жоғары) ФЭТ-тегі кернеудің төмендеуіне байланысты Күн батареясының пайдалы әсер коэффициенті кеміп, Күн батареяларының жиынтық қуаты ондаған, тіпті жүздеген кВт-қа жетеді. Күн батареяларының өлшемдері әр түрлі болады. Мысалы: микрокалькуляторда орнатылғандарынан бастап, ғимараттар шатырлары мен автокөліктер төбелеріне орнатылатындарына дейінгі өлшемдерде. Сондай-ақ Күн батареялары ғарыш кемелері мен аппараттарында энергиямен жабдықтау жүйесіндегі негізгі электр энергиясының көзі ретінде қолданылады. Ал тұрмыс пен техникада қолданылатын көптеген бұйымдарды –калькулятор, қол сағаты, плеер, фонарь, т.б. токпен қоректендіру көзі де Күн батареялары болып табылатындығы бәрімізге белгілі.

Күн энергиясын қолдану салалары

Үлкен өлшемді Күн батареялары Күн коллекторлары сияқты тропикалық және субтропикалық аймақтарда бүгінде кеңінен қолданылуда. Әсіресе, әдістің осы түрі Жерорта теңізі елдерінде көп тараған. Бұл елдерде Күн батареяларын үй шатырларына орналастырады. Ал Испанияда 2007 жылдың наурыз айынан бастап жаңадан салынған үйлер Күн су жылытқыштарымен жабдықтала бастады. Ол ыстық суға деген сұранысты 30%-дан бастап 70%-ға дейін қамтамасыз ете алады.

      Жылма-жыл Күн батареяларының түрлері жаңа технологиялық тұрғыдан жетілдіріліп, толықтырыла түсуде. Соңғы уақытта Санта-Барбарадағы Калифорния университетінің полимерлер және органикалық қатты бөлшектер орталығының мүшесі, Нобель сыйлығының лауреаты Алан Хигер мен Гванджудағы Корей ғылым және технология институтының ғылыми қызметкері Кванхе Ли мен олардың әріптестері тандемдік полимерлі Күн батареяларын жасап шығарды. Жаңа батареялар авторлары спектрдің кеңірек диапазонын қолдану үшін жұтылу сипаттамалары әр түрлі екі фотоэлектрлік ұяшықтарды бір бүтінге жалғастырды. Нәтижесінде батареяның пайдалы әсер коэффициенті 6,5%-ға тең болды. Күн батареясының бұл түрі өзінің арзандылығы және оны жасаудағы қарапайымдылығымен ерекшеленеді.                                                                             

        Фотоэлементтің Күн батареялары сияқты фотондар энергиясын электр энергиясына айналдыратын электрондық құрал екендігі аян. Сыртқы фотоэффект құбылысына негізделген ең алғашқы фотоэлемент физика ілімінде XIX ғасырдың аяғында пайда болды. Оны белгілі орыс ғалымы Александр Столетов жасап шығарған. Өндірістік масштабтардағы фотоэлементтердің пайдалы әсер коэффициенті орташа есеппен 16% болса, ең жақсы үлгілердікі – 25%, ал лабораториялық жағдайларда 43,5%-ға дейін жетеді. Фотоэлементтің жұмыс істеу принципі металдан (калий, барий) не жартылай өткізгіштен жасалған электродтың (фотокатод) бетіне электормагнит сәуле түсіргенде фотоэффект құбылысының пайда болуына негізделген. Фотоэлементтің сыртқы фотоэффектжәне ішкі фотоэффект құбылыстарына негізделіп жасалған түрлері бар. Мысалы: сыртқы фотоэффектіге негізделгені электровакуумды фотоэлемент болса, ішкі фотоэффектіге вентильді, жартылай өткізгішті, жаппалы қабатты фотоэлемент түрлері негізделіп жасалған. Соның ішінде жартылай өткізгішті кремний кристалынан жасалған фотоэлементтер (пайдалы әсер коэффициенті 15%-ға жуық) ғарыштық ұшу аппаратының қоректендіру көзі ретінде радиациялық құбылыстарды зерттеуде, т.б. жағдайларда да пайдаланылады. Сондай-ақ бүгінгі кезде фотоэлементтерді әр түрлі көлік түрлеріне – қайықтарға, электромобильдерге, гибридті автокөліктерге, ұшақтарға, дирижабльдерге, т.б. орнату мүмкіндігі бар. Италия мен Жапония сияқты мемлекеттерде фотоэлементтерді темір жол поездарының шатырына орналастырады. Соның ішінде Solatec LLC компаниясы  Toyoto Prius гибридті автокөлігінің шатырына орналастыруға арналған жұқа қабыршақты фотоэлементтерді сатумен айналысады. Жұқа қабыршақты фотоэлементтердің қалыңдығы 0,6 мм ғана болғандықтан, ол автокөліктің аэродинамикасына еш әсерін тигізбейді. Күн батареялары мен фотоэлементтерден бөлек Күн энергиясын электр энергиясына айналдыратын адамзат ойлап тапқан құрылғыларға Күн коллекторлары, Күн электр станциялары, гелиожүйелер, т.б. жатады.

       

Күн энергиясын пайдаланудың артықшылықтары мен кемшіліктері

 Жоғарыда келтірілген мысалдардан біз адамзат үшін Күн энергетикасының ауадай қажет екенін түсінеміз. Күн энергиясын пайдаланудың өзіндік артықшылықтарымен қатар кемшіліктері де бар. Атап айтсақ,

 артықшылықтары: 

1) Күн энергиясы бәріне бірдей қолжетімді;

2) ол сарқылмайды;

3) қоршаған ортаға қауіпсіз; 

кемшіліктері: 

1) ауа райы мен тәуліктің уақытына тәуелді;

2) Күн энергиясын алу үшін қолданылатын құрылғылардың қымбаттылығы;

3) оны шағылдыратын бетті периодты түрде тазалап отыру қажет;

4) электр станциясының жанында атмосфера ысып кетеді; 5) энергияны аккумуляциялау қажет. 

Соған қарамастан Күн энергетикасына деген сұраныстар жыл сайын артып келеді. Әр елдің ғалымдары осы қосымша энергия түріне ерекше мән беріп, оны дамыту жолдарын қарастырумен айналысуда. Осыған орай Күн энергиясын электр энергиясына айналдыратын құрылғыларды пайдалану деңгейі жылдан-жылға өсіп келеді. Мысалы: 2005 жылы жұқа қабыршақты фотоэлементтер нарықтың 6%-ын құраса, 2006 жылы бұл көрсеткіш 7%-ға жетті, ал 2007 жылы 8%-ға, ал 2009 жылы 16,8%-ға дейін өсті. Яғни 1999 жылдан 2006 жылға дейін жұқа қабыршақты фотоэлементтер өндірісі жыл сайын орташа есеппен 80%-ға өсіп отыр. Ал Күн энергиясының Еуропа елдерінде қолданылуына шолу жасасақ, 2010 жылы Германияда электр энергиясының 2%-ы фотоэлектрлік құрылғылардан алынса, Испанияда бұл көрсеткіш 2,7%-ды құрайды.

        Күн энергиясын күнделікті тұрмыста кеңінен пайдалану – бүгінгі күннің өзекті мәселелерінің бірі. Әсіресе, бұл мәселенің түбегейлі шешілуі қазіргі уақытта дүние жүзінде мұнай мен газ секілді отынның күннен-күнге қымбаттауынан туындап отырған негізгі проблемалардың толықтай шешімін табарына өз септігін тигізері сөзсіз. Себебі, осыдан 50 жылдай бұрын американдық ғалым Кинг Хуббертс айтқандай: «... Мұнай  тек оны өндіруге кеткен электр энергиясы одан өндірілетін электр энергиясынан аз болған кезге дейін ғана электр энергиясының негізгі көзі ретінде саналады. Ал бұдан кейін мұнай өндіру оның бағасына қарамастан тоқтатылады». Ғалымдарымызға бұл тұжырым «К.Хуббертстің заңы» деген атпен белгілі.    

        Көмірсутекті өнімдердің өте көп өндірілуі климаттың өзгеруіне, жылыжайлы эффектінің қалыптасуына әкелетіні шындық. Аталған жайттар Жер шарының көптеген аймақтарында қазірдің өзінде-ақ байқалып отыр. Сондықтан да дүние жүзі ғалымдары бұл тығырықтан шығудың жолдарын ғылыми-тәжірибелік тұрғыдан қарастыруда. ҚР Ұлттық инженерлік академиясының академигі Надир Надиров пікіріне сүйенер болсақ: «... Күн энергетикасы көмегімен адамзатқа төніп тұрған аталған қауіптен  құтылуға болады». Осымен байланысты ҚР-да дүние жүзіндегі озық тәжірибелерді пайдалана отырып мемлекет тарапынан электр энергиясын мұнай мен газға альтернативті энергетика ретінде Күн энергиясынан алуға баса назар аударылып отыр.

    Астанада 22-24 мамыр аралығында өтетін V Астаналық экономикалық форумы ауқымында Келешек энергиясы жөніндегі Ғылыми конгресс ұйымдастырылып, онда баламалы энергия көздерін дамыту мәселелері талқыланды. «Болашақ энергиясы» - Қазақстанның Астанада ЭКСПО-2017 көрмесін өткізуге ұсынып отырған тақырыбы.

Энергетика және экология мәселелеріерекшемаңызғаие. Тақырып энергия үнемдеумәселесінжәнекүн, желэнергиясыжәнетеңіз, мұхит, термальдысудыңэнергетикалықресурстарысияқтыбаламалы энергия көздеріненгізумәселесінкеңіненашуғамүмкіндікбереді.

Осылайша, Қазақстанэнергетиканыдамытуғаөзүлесінқоспақ. Сондай-ақ, Астанадабаламалы энергетика саласындатаңдаулыойшылдар мен жобалардыжинауғаұмтылыпотыр.

Қорытынды

Күн энергиясын өз мақсатымыз үшін пайдаланудың болашағы зор. Ғалымдардың болжауынша 2050 жылға қарай Күн энергиясы адамзаттың электр энергиясына деген 20-25%-дай қажеттілігін өтей алады. Сол сияқты Халықаралық энергетикалық агенттіктіктің мәліметі бойынша 40 жылдан кейін Күн энергетикасы көмегімен атмосфераға көмірқышқыл газының түсуін жылына 6 млрд тоннаға дейін қысқартуға болады екен. Осындай тұжырымдар негізінде Күннен өндірілетін энергияның адамзат үшін сарқылмайтын байлық екендігіне әбден көз жеткізуге болады деп ойлаймыз.

  Жер бетіндегі энергия ресурстарының шектеулілігі күн энергетикасын дамытуды қажет етеді.

Күн энергиясы қоршаған ортаға қауіпсіз, экологиялық таза және оны алу жолдары қиын емес.

Қазiргi заманғы күн фотоэнергетикасы қуаттылығы соңғы жылдары бұрын-соңды болмаған жылдамдықпен жылына 30-40%-ға өсiп отырған гетероқұрылымдар негiзiнде кремний фотоэлементтерiне негiзделедi.

  Қазақстан ғалымдары бұрын отандық шикiзаттан металлургиялық және жартылай өткiзгiш кремний алу технологиясы саласындағы қолданбалы ғылыми зерттеулер жүргiздi. Күн батареялары мен жартылай өткiзгiштердiң жұмыс тиiмдiлiгi тазалық деңгейiне қарай алынатын кремнийдiң төменгi сапасы жүргiзiлген ғылыми зерттеулердiң негiзгi проблемасы болып табылады.

Табиғи кеніш көздері сарқылып, қоршаған ортаның ластануынан адам денсаулығының нашарлауы күрт өсті. Бүкіл әлемдік қауымдастық осыған алаңдаулы. Жасыл экономика бұл күрделі сұрақтардың басты шешімі болып табылады. Оны дамыту арқылы зиянды қалдықтардың ауаға таралуын қысқарту, табиғи қорларды үнемдеп тұтыну, энергия тиімділігін арттыруға қол жеткіземіз. Жаңа экономиканың стратегиясы табиғи технологиялардың дамуына инвестицияларды тартып, ел экономикасын жаңа белеске жеткізеді. Экологияғабағытталғанжасылэкономиканыңжарқынболашағы бар.

Менің ұсынысым:

1. Күн энергиясын пайдаланудың келешегі зор,экологиялық таза,қоры ешқашанда сарқылмайды, әрі арзан.

2. Күн сәулесі энергиясын пайдалануға негізделген гелиотехникалық қондырғыларды қолдануды көбейту.

3. Күн энергиясын қолданысқа енгізу – оңай шаруа емес. Ауқымды инвестиция қажет.

4. Күннің көзімен қуат алатын қондырғылардың жұмысын жандандыру.

5. Энергияның табиғи таза қоры – Күн энергиясын пайдалану тиімді.

Тұрғын үйді күн энергиясымен жылыту

Пайдаланылған әдебиеттер:

1. Мақала: Күн батареясы. – “Қазақстан” ұлттық энциклопедиясы. 5-том, 127-бет. Алматы, 2003 жыл.

2. Мақала: Фотоэлемент. – “Қазақстан” ұлттық энциклопедиясы. 9-том, 227-228 беттер. Алматы, 2007 жыл.

3. Надиров Н.«Не НЕФТЬЮ единой ...». – Газета «Класс Time», №11, стр. 7. 11 апреля, 2012 год

4. Полупроводники в технике и науке. Т.1-2, Москва–Ленинград, 1957-58 гг.

5. Саммер В. Фотоэлементы в промышленности (пер. с англ.яз.).  Москва–Ленинград, 1961

6. Берковский А.Г. и др. Фотоэлектронные приборы. Москва, 1965

7. Статья из ИНТЕРНЕТА: Создана рекордная органическая солнечная батарея // www. Membrana, 13 июля 2007 год.

8. Ванке В.А., Лесков Л.В., Лукьянов А.В. Космические энергосистемы. – Москва: Машиностроение, 1990

9. Mankins J.C. Fresh Look at Space Solar Power: New Arctitectures, Concept and Technologies. 1997

 

20