1 билет

Энергетиканың тарихи эволюциясының бірінші және екінші кезеңдерінің басты ерекшеліктері неде?

Пайдаланылған энергия қорларын адамзат тарихымен ұштастыра отырып жан-жақты қарастырсақ, онда энергетиканың тарихи эволюциясын бес кезеңге бөлуге болады.

Бірінші кезең: оның басталған уақытын өткен мыңдаған жылдардың ішінен дәл анықтау қиын, ал аяқталар уақыты болжаммен V—VII ғасыр болып есептелінеді. Бұл кезеңде адам табиғаттан мейірім күткен, ол суыққа дәрменсіз болып, оған барлық жыртқыш аңдар қауіп төндірген. Бұл уақытта адамдар тек білектің күшімен ғана әрекет жасап, күн жылуымен жылынған.

Алғашқы отты күтпеген жерден, мысалы, найзағай түсуіне байланысты, жанып жатқан ағаштарға кездесуі арқылы алса, кейінірек өз ақыл-ойларымен қажетті екі ағашты тауып, оларды бір-біріне үйкеу арқылы, немесе екі тасты бір-біріне ұрып, ұшқын алу арқылы от жағуды үйренген. Бұл жаңалық адамзат тарихының дамуындағы аса бір елеулі белес болып табылады.

Жалпы айтқанда, бірінші кезеңдегі энергия көзі бо­лып бұлшық ет күші есептелінеді. Бұл кезде коршаған ортаны «ластау» болмаған.

Екінші кезең V—VII ғасырдан XVIII ғасырға дейін созылады. Мұнда 1-кезеңде қолданылған энергия көздерінен басқа, қайта жаңарып отыратын энергия көздері — өзендердегі су ағыны мен жел пайдаланылған. Жұмыстың біраз бөлігін су дөңгелектері мен жел қалақшалары атқаратын болған. Міне, осы жаңалықтардың өзі де аса мардымсыз тарап, сирек қолдау тауып отырған.

Жүздеген жылдар бойы жаңа энергия түрлері өте нашар игеріліп, жиырмасыншы ғасырдың ортасына дейін жел мен су энергиялары аздаған ғана мөлшерде пайдаланылып келді.

1470 жылы суға алғаш рет төрт мачталы кеме түсірілген, ал шамамен 1500 жылы кемеңгер Леонардо да Винчи түтінмен жұмыс жасайтын ғажайып тоқу станогының моделін және ұшатын машинаның жобасын жасаған. Бірақ та техникалық танымдағы ғажайып өзгеріс бұл кезеңде болмаған. Екінші кезеңде энергия қоры толық жаңарып отырып, ал қоршаған орта «таза» қалпында сақталған.

Электр жүктемелерінің графиктері, олардың түрлері.

Бөлек тұтынушылардың электр жүктемесі, олай болса энергия жүйесінде электрстанциялардың жұмыс режимін анықтайтын олардың қосынды жүктемесі үзіліссіз өзгереді. Бұл жағдайды жүктеме Принято отражать этот факт графигімен белгілеуді қабылдаған, яғни  уақыт бойынша электрқондырғының қуатын (тогын) өзгерту диаграммасымен. Тіркелетін параметрдің түрі бойынша графиктерді айырады:

• активтік қуаттың Р;

• реактивтік қуаттың Q; 

• толық (елестейтін) қуаттың S;

• электрқондырғы І тогының.

Әдетте, графиктер уақыттың белгілі кезеңіндегі жүктеменің өзгеруін көрсетеді. Осы нышан бойынша оларды тәулік (24 сағ.), маусым, жыл және т.б. графиктеріне бөледі.

Зерттеу орны немесе энергия жүйесінің элементі бойынша графиктерді келесі топтарға бөлуге болады: 1) қосалқы станция шиналарында анықталатын тұтынушылардың жүктеме графиктері; 2) жүктеменің тораптық графиктері – аудандық және түйінді қосалқы станциялардың шиналарында; 3) энергия жүйесінің нәтижелік жүктемесін сипаттайтын энергия жүйесінің жүктеме графиктері; 4) электрстанциялардың жүктеме графиктері.

Жүктеме графиктерін электрқондырғылардың жұмысын талдау, электрмен жабдықтау жүйесін жобалау, электрді тұтыну болжамдарын жасау, жабдық жөндеуді жоспарлау және эксплуатация процесінде жұмыстың қалыпты режимін жүргізу үшін қажет.

Жүктеменің іс жүзіндегі графигі уақыт аралығында тиісті параметрдің өзгеруін белгілейтін тіркейтін аспаптардың көмегімен алынуы мүмкін. Тұтынушылар жүктемесінің болашақтық графигі жобалау процесінде анықталады. Оны тұрғызу үшін біріншіден электрқабылдағыштардың орнатылған қуаты туралы мәліметтерді білу керек, мұнда орнатылған қуат деп олардың қосынды номиналды қуатын түсінеді. Активтік жүктеме үшін:

Рорн = ΣРном.

Тұтынушылар қосалқы станциялары шиналарындағы қосылған қуат:

мұнда  ηср.п және ηср.с — тұтынушылар электрқондырғыларының және жергілікті тораптың номиналды жүктемесіндегі орташа ПӘК - тері. 

2 Билет

Жүктеме графиктерінің қандай көрсеткіштерін білесіз?

Энергетика дамуының үшінші кезеңін қалай сипаттар едіңіз?

Үшінші кезең XVIII ғасырдан XX ғасырдың ортасына дейінгі аралықты алып жатыр. Бұл аралықта өндірісі дамыған елдер энергия көзі ретінде қайта жаңармайтын, жерден қазып алынатын органикалық отын: тас көмір, мұнай, табиғи газ және т.б. химиялық энергияны, ал негізгі қозғалыс күші ретінде жылу қозғалтқыштарында алынатын «оттың қозғалтқыш күшін» пайдаланған. Осы кезеңде ғылым мен өндірісте сан алуан ғажайып жаңалық ашқан ғалымдардың, мамандардың саны көбейіп, электр энергиясы игілік көзіне айнала бастады. Тек «энергетикалық ой-өріске» түбегейлі әсер етіп, жаңалық ашқан ғалымдар мен олардың ғылыми еңбектеріне қысқаша тоқталып өтейік.

Солардың ішіндегі алғашқы алып тұлға — Исаак Ньютон.

Ағылшынның атақты бұл ғалымы өзінің ұзақ өмірі мен таңғажайып талантын физика, астрономия және математика ғылымдарын дамытуға жұмсады. Ол классикалық механиканың негізгі зандарын анықтап, тартылу теориясын құрастырды, гидродинамика мен акустиканың негізін қалап, оптиканың дамуына елеулі ықпал етті. Лейбницпен бірге есептеу теориясы мен симметриялық функциялар теориясының негізін салды. XVIII және XIX ғасыр физикасы, орынды түрде «Нью­тон физикасы» деп аталады.

Бу энергиясын пайдалану ойшылдарды ертеден толғандырды. Бу энергиясын пайдалану идеясын жетілдіріп, нақтылы бу жетегінің алғашкы түрін ойлап тапқандардың бірі — ағылшын ғалымы Эдуард Сомерсет болды. 1693 жылы оның сол уақытқа дейінгі өнертабыс жайлы туған кітабы дүниеге келді. Бұл арада инженер Томас Севернді де атап өткен жөн. Ол 1698 жылдың 25 шілдесінде от күшін пайдалану арқылы жұмыс жасау мүмкіндігін туғызатын жаналығы үшін патентке ие болды.

«От машинасын» одан әрі дамытуда ағылшын темір соғу шебері Томас Ньюкомен елеулі роль атқарды. Адамзат тарихында тұңғыш рет пайдалы жұмыс атқарған Ньюкомен бу машинасы 1712 жылы Бирмингем каласының жанындағы шахтадан су шығаруға пайдаланылды.

1774 жылы ағылшын өнертапқышы Джеймс Уатт өндірісте жұмыс жасауға тиімді жаңа бу машинасын жасап шығарды. Экономикалық жағынан ұтымды Уатт бу машинасы өндірісте кең қолдау тауып, машина өндірісіне көшуде ерекше орын алды. Бұл машиналар жылу бергіштігі жоғары отын түрін, сапалы конструкциялық материалдарды, өнімді станоктары бар шеберханаларды және т.б. жағдайларды қажет етіп, бір жағынан техниканың дамуына, ал екінші жағынан ғылымның жаңа салаларының дамуына ықпал етті.

Уаттың төменгі қысымда жұмыс жасайтын бу машинасын көптеген шеберлер мен инженерлер жетілдірді. Олардың ішінен американдық Оливер Эвансты бөлек атауымызға болады. Бұл талантты механик 1801 жылы қысым мөлшері атмосфералық қысымнан он есе артық бу машинасын құрастыруга кірісті. Оның алғашқы екі машинасы да өте тиімді болып шығуына байланысты, Эванс 1802 жылы Филадельфияда жоғары қысымды бу машинасын жасайтын алғашқы завод ашты. Оның машиналарының қуаты 7,4-тен 29,4 кВт-қа дейін жетті.

1805 жылы мынадай бір уақиға болған. Эванс Скулкилл өзені жағалауында орналасқан заводтың тапсыруымен бір бу машинасын жасап, оны сол заводқа жеткізуі керек болды. Тапқыр да талантты Эванс бу маши­насын арбаға орналастырып, оны арнайы жасалынған жетектің көмегімен арба доңғалағымен байланыстырып, өздігінен жүретін «арба» жасаған. Сөйтіп бу машинасы өзі жүріп заводқа барған. Бұл тапқырлығы оны халықтың қошеметіне бөледі.

Электр энергетикасының дамуына атақты орыс ғалымдары мен инженерлері П.Н. Яблочков, А.Г. Столе­тов, В.В. Петров, А.Н. Ладыгин, Л.А. Лачинов, М.О. Доливо-Добровольский, И.Ф. Усыгин және басқа да ғалымдар елеулі үлес қосты. Шет елдерде де бұл салада үлкен ғылыми жұмыстар жүргізілді. Электр энергетикасының даму тарихына А. Вольта, Л. Гальвани, С. Земмеринг, А. Ампер, Г. Якоби, Г. Дэви, В. Си­менс, 3. Греми, М. Депре, М. Фарадей және т.б. ғалымдардың есімдері алтын әріптермен жазылды. Орыс және шетел ғалымдарының ашқан жаңалықтары мен ғылыми жетістіктері аз ғана уақыт ішінде электр энергиясын өмірде қолдану мүмкіндігін туғызды.

Тұрақты ток көзі — электр батареясының дүниеге келуі итальян ғалымы А. Вольта есімімен тікелей байланысты. Бұл жаңалық 1800 жылы ашылған еді. 1802 жылы орыс электротехнигі В.В. Петров Вольта элемен­тін одан әрі дамыту негізінде, оның кернеу мөлшерін арттыру арқылы электр доғасын ашты.

1802 жылы даниялық физик X. К. Эрстед алғаш рет электр тогының магниттік қасиетін тапты, ал бірнеше айдан кейін өзі қойған тәжірибе негізінде, өткізгіш сым арқылы электр тогы жүргенде оған металдың кіші бөлшектері тартылатынын және болаттан жасалған иненің магниттелетінін байқады. Ал бұдан бірнеше күн өткеннен кейін француз физиктері Ампер мен Араго дүние жүзінде алғаш рет соленоид (ток жүретін оқшауланған сымнан цилиндр тәрізді болып оралған индуктивті орауыш катушка) жасап, бірқатар тәжірибелер негізінде «электрдің магнитке айналу» қасиетін тапты.

Эрстед, Араго және Ампер ашқан жаңалықтар негізінде, адамзат жаңа ғасырға — электротехника, элек­троника, ғарышқа ұшу... ғасырына аяқ басты.

Сол уақытта «электрдің магнитке айналуы» белгілі болғанымен, «магниттің электрге айналуы» беймәлім еді. Бұл жаңалықты ағылшын физигі М. Фарадей ашты. Эрстед жаңалығы ашылғаннан кейін, бір жылдай уақыт өткенде, Фарадей еңбегі арқасында, алғашқы электр козғалтқышы дүниеге келді. Ал 1831 жылы электромагниттік индукция заңы ашылғаннан кейін, Фарадей дүние жүзіндегі алғашқы электр генераторын жасады.

Сөйтіп, араға он жыл салып Фарадей энергетикада революция жасады деп айтуға болатын екі жаңалык — электр қозғалтқышы мен электр генераторын ойлап тап­ты.

Фарадей жаңалықтарын орыс ғалымдары Э.X. Ленц пен Б.С. Якоби, ағылшын физиктері Дж. К. Максвелл мен В. Томсон, неміс электротехнигі мен өнертапқышы Э.В. Сименс және т.б. одан әрі дамытты.

Электр машиналарын жасау саласы орыс инженері М.О. Доливо-Добровольскийдің 1889 жылы ашқан жаңалығы арқасында қарқынды дами бастады. Ол күні бүгінге дейін өндірісте кең қолдау тауып отырған электр машинасының жаңа түрі — үш фазалы асинхронды қозғалтқышты ойлап тапты.

Генератордың роторын қажетті жылдамдықпен айналдырып тұру үшін, яғни механикалық энергияны электр энергиясына түрлендіру үшін қуатты айналыс күш көзі қажет еді. Бұл уақытқа дейін ағын су күшімен айналатын қуатты «су дөңгелегі» ғана мәлім болатын. Ғалымдар енді өз ой-қиялдарын осы бағытқа бағдарлады.

XX ғасырдың басында су турбиналарының көптеген түрлері табылды. Бұл салада ағылшын ғалымы Баркер, венгр ғалымы Сегнер, француз ғалымы Бюрдена және т.б. елеулі еңбек етті. Бірақ су турбиналарының бір кемшілігі — олар қуатты су ағынын қажет ететін.

Алғашқы бу турбинасының конструкциясын швед ин­женері К.Г. Лаваль ұсынды. 1893 жылы Чикаго қаласында қуаты 5 ат күшіндей, минутына 30 000 айналым жасайтын бу турбинасы жасалды. Ал 1900 жылы Париж көрмесіне қойылған Лаваль турбинасының 350 ат күшіндей қуаты бар еді.

1890 жылы Германияда ағылшын өнертапқышы Ч.А. Парсонс идеясы негізінде жасалған бу турбиналары сынақтан өтті. Осы сынақ негізінде ғалымдар: «Бу турбиналары бу машиналарына қарағанда анағұрлым тиімді»—деген қорытындыға келді.

Қазіргі уақытта дүние жүзінде өндірілетін энергияның 80%-і осы бу турбиналары арқылы өндіріледі.

1872 жылы орыс ғалымы А.Н. Лодыгин электр энергиясын жарық көзі ретінде пайдалануға болатынын көрсетті. Бұл жарықтандыру бағытында жасалған ұлы жаңалық еді. 1879 жылы американ ғалымы Т.А. Эдисон бұл жаңалықты одан әрі дамытты. Сөйтіп, электр шамдары XIX ғасырдың аяғында басқа барлық жарық көздерін ығыстыра бастады.

Орыс ғалымы және өнертапқышы П.Н. Яблочков тарихқа «Яблочков шырағы», «Орыс жарығы» жаңалықтарының авторы ретінде кірді. Оның бұл жаңалықтары электр зарядтарын жарық көзі ретінде пайдаланудың негізін жасады.

XIX ғасырдың аяғы электротехниканың дамуында үлкен бетбұрыс кезеңі болды. Ресей мен АҚШ-та алғашқы электр станциялары салына бастады.

АҚШ-та алғашқы салынған қуаты 100 кВт электр станциясы Висконсин штатында 1881 жылы қаланы жарықтандыруға пайдаланылды. Ал 1882 жылы Нью-Йорк-те бу машинасының қуаты 90 кВт болатын айнымалы ток электр станциясы жұмысқа қосылды. 1882 жылы салынған Англиядағы алғашқы электр станцияның қуаты 60 кВт-қа жетті.

1890 жылы Петербургте 130 электр станциясы жұмыс жасады. Ресейдегі барлық электр станцияларының жалпы қуаты 80 мың кВт мөлшерінде болды. XIX ғасырдың аяғында электр энергиясы тек жарықтандыру максатында ғана емес, өндірісте де қолдау таба бастады. 1905 жылы Ресейде өндірілген жалпы электр энергиясының 46%-і жарықтандыру мақсатына пайдаланылса, 1913 жылы өндірілген электр энергиясының тек 20%-і ғана жарықтандыруға пайдаланылып, 80% -і өндірістік мұқтаждықты қамтамасыз етуге жұмсалды. Осы жылы дүние жүзінде жұмыс жасап тұрған электр станцияла­рының жалпы қуаты 7 млн. кВт-қа жетіп, 15 млрд. кВт*сағ электр энергиясы өндірілді. Ал Ресейдегі электр станциялардың қуаты 1,1 млн. кВт болып, өндірілген энергия мөлшері 1,9 млрд. кВт *сағ-қа жетті. Жалпы электрлендіру жолында көптеген ірілі-уақты жаңалықтар ашылып, инженерлік жаңа шешімдер табылды.

Төртінші кезең XX ғасырдың ортасынан, яғни уран, плутоний, торий және басқа да қайта жаңармайтын яд­ро отындарының бөліну энергиясын игеруден басталады. Бұл кезеңнің негізгі сипаты — ядролық және термоядролық отындарды мол мөлшерде пайдалану болып табылады. Бұл кезеңде жердің кайта жаңармайтын энергия қоры толық пайдаланылып, коршаған ортаны «ластаудан» сақтау аса маңызды мәселеге айналды.