3.2. Электр энергиясын өндіру

Бүгінгі ғылым мен техника материя мен энергияның сақталу кағидасына негізделген. Бұл қағидаларды түсіну энергияның түрленуі мен оны тұтыну тиімділігін одан әрі арттыру, электр энергиясын өндірудің жана тәсілдерін табу және т.б. маңызды мәселелерді шешу үшін қажет.

Материяның сақталу заңы. Бұл қағиданың ашылған дәуірін айту өте қиын. Алғашқы тұжырымдар біздің дәуірімізге дейін Үнді және Грек философияларында қалыптаса бастаған. Біздің дәуірімізден 450 жыл бұрын көне грек философы Эмпедокл «Жоқтан бар пайда болмайды және ештеңе де жоғалып кетпейді»—деп пайымдаған. Кейіннен көптеген көрнекті ғалымдар мен ұлы ойшылдар осы тұжырымның растығын қолдап, осы заңдылық тәжірибе жүзінде дәлелденді.

Энергияның сақталу заңы. Энергияның сақталу заңы XIX ғасырдың ортасында ашылды. Энергияның сақталу заңы жылу алмасу ғылымында термодинамиканың бірінші принципі деп аталды. Енді оны жылу энергиясы негізінде, механикалық жұмыс атқаратын бір С жүйесі мысалында қарастырайық. С жүйесінің температурасы барлық нүктелерде бірдей деп алайық. Бұл жүйеге жылу берілсе, онда оның энергиясы артады. Егер де осы жүйеге тек қана жылу берілетін болса, онда оның энергиясы ΔU = Q шамасына артады делік. Жүйе өзінің энергиясының немесе температурасының төмендеуіне байланысты жұмыс жасай алады. Егер де бір мезгілде жүйеге жылу берілетін болса, онда жүйе энергиясының өзгеруін былай анықтауға болады:

а

л жүйенің энергиясы өзгермесе, онда A = Q.

Бұл теңдеу сан жағынан термодинамиканың бірінші принципін көрсетеді: жүйенің энергиясын өзгертпей жұмыс жасау үшін оған жылу берілуі қажет, ал жылу алмай мәңгі жұмыс жасайтын қозғалтқыштың бірінші түрін жасау мүмкін емес.

Қазіргі жылу электр станцияларында жылудың жұмысқа айналуы жұмыс денесі есебінде су буы пайдаланылатын циклде жүреді. Су буы арқылы жылудың жұмысқа айналу термодинамикалық циклін XIX ғасырдың ортасында Шотландия инженері У.Ренкин ұсынған еді. Ренкин циклі негізінде жұмыс жасайтын ЖЭС-ның қарапайым технологиялық схемасы (3.1 сурет) бу генераторы (1), турбина (2), электр генераторы (3), конденсатор (4) және сорғыдан (5) тұрады. Бу генераторында жанған отынның жылуы суды қыздырып, буға айналдырады. Бұл процеске Ренкин циклі диаграммасының АВ бөлігі сәйкес келеді, мұнда қысым тұрақты қалпында қалып, тек көлем ұлғаяды. Бу генераторында алынған бу турбинаға жіберіледі. Онда ол ұлғайып, будың ішкі энергиясы механикалық энергияға түрленеді. Яғни, турбинада пайдалы жұмыс атқарылады. Турбинада бу көлемінің ұлғаюы Ренкин циклінде (і.ә сур.) ВС адиабата сызығымен жүреді. Одан әрі турбинада жұмыс жасап шыққан бу салқындатылып суға айналады, ал конденсаторда оны салқындату үшін пайдаланылған судың температурасы көтеріледі. Будың суға айналуына циклдың СД бөлігі сәйкес келеді. Суға айналған бу жабдықтау сорғымен қайтадан бу генераторына беріледі. Су қысылмайтын болғандықтан, тұрақты көлемде оның қысымы ұлғаяды. Бұл процес циклдың ДА бөлігімен сипатталады.

Ренкин циклының п.ә.к – і, басқа да жылу машиналары сияқты, жұмыс жасауға шығындалған жылудың мөлшерінің алғашқы алынған жылу мөлшеріне қатынасымен сипатталады

К = (Q₁ - Q₂)/ Q₁,

мұнда Q₁- бу генераторында бу денесіне берілген жылу мөлшері; Q₂- конденсаторда салқындатқыш сумен шығындалған жылу мөлшері.

Энергия. Жылу машиналарының қасиеттерін сипаттау үшін энергиялық баланс жасалды, кей уақыттарда мұны жылу балансы деп те атайды. Мысалы, жылу электр станциясының жұмысын сипаттайтын жылу балансы былай жасалады. Органикалық отын жанған кезде бөлінетін жылу мөлшері 100% деп есептелінеді де, осы жылудың электр энергиясын өндіруге жұмсалған бөлігі мен электр станциясының әр түрлі кондырғыларында: бу өткізу жолы, конденсатор, турбина және т.б. шығын болатын жылу мөлшері анықталады. Бұл уақыт та міндетті түрде эксергиямен сипатталатын жылу қасиетін есептеу қажет. Эксергия дегеніміз соңғы күйі коршаған ортамен термодинамикалық тепе-теңдік шараларымен анықталатын процестегі материяның ең жоғарғы жұмыс жасау кабілеті.

Эксергия шамасы төмендегі теңдікпен анықталады:

Э_к=(Т,~Т₂)ІТ_и

мұнда Ті— жылу таратқыштың температурасы, К; Т₂— қоршаған ортаның температурасы, К.

Белгілі бір жылу мөлшері Q арқылы жасалатын жұмыс А (кгм) эксергия арқылы төмендегі теңдікпен сипатталады

Сонымен жылудың жұмыс жасау қабілеті эксергиямен анықталады. Эксергия үлкен болған жағдайда жылудың шығындалуын азайтудың маңызы зор. Жұмыс денесінің температурасы қоршаған орта температурасына шамалас болса, онда жылу энергиясын пайдалану тиімділігінің аз болатыны анық. ЖЭС-да энергияның көп шығындалуы оның жылу алмасқышында (конденсаторда) жұмыс денесінің температурасы қоршаған орта температурасына жақын болуына, энергияның оның түрлену жүйесінің басқа жерлерінде шығындалатынына және жылу процестерінің жетілмегендігіне байланысты болады.

Конденсатордағы энергияның сапасы төмен, ал оның төмендеуі энергияның түрленуінің алдыңғы кезеңдерінде жүреді. Қорыта айтқанда, жылу балансы аркылы энергияның сапасы төмендейтін жылу қондырғысының элементін табу мүмкін емес.

Қоршаған ортаның бойында шексіз жылу бар, бірақ оның практикалық тиімділігімен анықталатын сапасы термодинамиканың екінші заңына сәйкес нөлге тең. Материяның бойындағы энергияның практикалык тиімділігін сипаттау үшін, эксергияның шамасын біліп қана қоймай, сонымен бірге оның шоғырлануын, яғни эксергияның термодинамикалық агент көлеміне қатынасын білу де өте маңызды. Эксергияның шоғырлануы неғүрлым жоғары болса, энергетикалық қондырғыны салу және оны пайдалану тиімділігі де соғұрлым жоғары болады.

Э нергия түрлендіргіштерінің п.ә.к-і. Энергия қорлары мен оны өндіру көрсеткіштері олардың пайдалану тиімділігімен анықталады. Техникалық қондырғылардың алғашқы энергия қорларын пайдалану тиімділігін арттыру белгілі бір мөлшерде энергия алу үшін алғашқы энергия корын аз шығындау мүмкіндігін туғызады. Қондырғылардың п.ә.к-тін анықтау үшін А. Эйнштейннің салыстырмалылық теориясы негізінде заттың массасы оның жылдамдығына тәуелді болатынын еске алайық:

мұнда т₀— тыныштық массасы, яғни жылдамдығы нөл (v = 0) болғандағы заттың массасы; с = 3• 10¹⁰ см/с— жары0 жылдамдығы.

Егер де заттың козғалу жылдамдығы нөлге тең

болса, онда т—т₀, Қозғалу жылдамдығы артқан сайын, заттың массасы да арта түседі және зат жарық жылдамдығына шамалас жылдамдықпен қозғалған уақытта (v/c l), оның массасы шексіз шамаға дейін артады. Бұл жағдайда ешқандай да күш заттың қозғалу бағытын өзгерте алмайды. А. Эйнштейннің салыстырмалылық теориясының негізінде (Е = тс²), 1 кг массаның бойында 25 ТВт*сағ энергия болады, бұл дүние жүзі халықтарының бір тәуліктегі электр энергиясына деген мұқтаждығынан әлдеқайда артық шама. Электрон мен позитрон соқтығысуы негізінде болатын аннигиляция нәтижесінде бұл бөлшектер жойылып, әрқайсысының бойында 0,51 МэВ энергия бар екі γ-кванты пайда болады. Бұл электрон мен позитронның тыныштық массасы энергиясына (т₀с²) дәл шама.

Әрбір электр станциясында қолданылатын алғашқы энергия қорларының бойында бар энергияны осы заңдылық негізінде анықтап, оның өндірілген электр энергиясына қатынасын қарастыратын болсақ, онда біз олардың п.ә к-нің төмен екенін байқаймыз (3.3 кесте).

3.3 к е с т е

Ал осы шамаларды өзара салыстыратын болсақ, онда АЭС-ның п.ә.к-і басқа станцияларға қарағанда әлдекайда жоғары екенін көреміз. Жалпы станциялардың п.ә.к-і былай анықталады. Мысалы, 120•10¹² Дж энергия алу үшін қуаты 1 ГВт СуЭС турбинасы арқылы 700*10⁶ т су жіберу қажет. Мұншалықты судың бойында 630*10²⁶ Дж энергия болады, яғни зат бойынша есептегенде, оның п.ә.к-і =120*10¹²/630*10²⁶ = 0,19*10-¹², ЖЭС мен АЭС-ның да п.ә.к-і осылай анықталған.

Энергия алу процесінің п.ә.к-ін арттыру электр энергиясына деген мұқтаждықтың күн өткен сайын арта түсуіне байланысты, мемлекеттік маңызы бар өте бір келелі іс болып табылады.