ҚазҰУ ғалымдары қатаң климат жағдайында жұмыс істейтін мұздан қорғайтын жел турбинасын әзірлеуде

Әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университетінің ғалымдары Қазақстанның күрт континенттік климат жағдайында тиімді жұмыс істеуге арналған бірегей жылулық қорғаныс жүйесі бар жел турбинасын жобалау және әзірлеу бойынша ғылыми жоба жүргізуде. Зерттеу жел энергетикасын дамытуға, жел қондырғыларының мұздану мәселесін шешуге және отандық жаңартылатын энергия технологияларын жетілдіруге бағытталған.

Қазақстанның көптеген өңірлеріне қыстың қатал болуы, төмен температура, қарлы боран және маусымдық температуралық ауытқулар тән. Мұндай жағдайлар жел энергетикалық қондырғыларының тұрақты жұмысына айтарлықтай әсер етеді. Жел турбиналарының қалақтарына мұздың жиналуы олардың аэродинамикалық қасиеттерін нашарлатып, энергия өндіру тиімділігін төмендетеді және жабдықтың механикалық бөліктеріне қосымша жүктеме түсіреді.

Жобаның негізгі мақсаты – қатал климат жағдайында жұмыс істейтін жел турбиналарының мұздануына қарсы тиімді техникалық және технологиялық шешім әзірлеу, сондай-ақ бірегей жылулық қорғаныс жүйесімен жабдықталған жел энергетикалық қондырғысының тәжірибелік үлгісін жасау және сынақтан өткізу.

Зерттеудің негізгі нысаны – тік айналу осі бар Дарье типіндегі жел турбинасы, соның ішінде тропоскин жүйесіндегі конструкция. Мұндай турбиналардың ерекшелігі – айналу кезінде қалақтарға әсер ететін ауа ағынының бұрышының үнемі өзгеріп отыруы. Осыған байланысты суық және қарлы жағдайда мұз қалақтардың жекелеген бөліктерінде ғана емес, олардың едәуір бетінде пайда болуы мүмкін.

Ғалымдардың айтуынша, мұздану жел турбиналары үшін ең күрделі техникалық мәселелердің бірі болып саналады. Қалақтардың бетінде мұздың пайда болуы олардың аэродинамикалық пішінін өзгертіп, ауа кедергісін арттырады және энергия өндіру көлемінің төмендеуіне әкеледі. Сонымен қатар мұздың жиналуы конструкция элементтерінің тозуын күшейтіп, жабдықтың сенімділігі мен қызмет ету мерзіміне әсер етуі мүмкін.

Жобаның маңызды ерекшелігі – қалақтарды сыртқы жылыту жүйелеріне тәуелділікті азайтатын жаңа жылулық қорғаныс тәсілін қолдану. Ғалымдар жел турбинасы қалақтарының конструкциясындағы қуыс элементтерді жылы ауаның қозғалу арналары ретінде пайдалануды ұсынады.

Жобаның негізгі ғылыми идеясы айналып тұрған жел турбинасында пайда болатын орталықтан тепкіш күшті пайдалана отырып, жылы ауаның қалақтардың ішкі арналары арқылы табиғи қозғалысын қамтамасыз етуге негізделген. Бұл тәсіл жылуды қалақтардың бетіне тиімді жеткізуге және мұздың пайда болу қаупін төмендетуге мүмкіндік береді.

Зерттеу бірнеше өзара байланысты ғылыми және инженерлік бағыттарды қамтиды. Олардың қатарында теориялық модельдеу, аэродинамикалық есептеулер, жылуфизикалық талдау, есептеу сұйықтықтар динамикасы әдістері және тәжірибелік зерттеулер бар.

Жобаның алғашқы кезеңінде жел турбинасы қалақтарының мұздану процесінің теориялық моделі әзірленеді. Ғалымдар ауа температурасы, ылғалдылық, жел жылдамдығы және мұздану уақыты сияқты климаттық факторлардың қалақтар бетінде мұздың пайда болуына қалай әсер ететінін зерттейді.

Модельдеу нәтижесінде мұздың массасы мен қалыңдығы, оның турбина конструкциясына және аэродинамикалық сипаттамаларына әсері бағаланады. Алынған деректер кейіннен мұзданудың алдын алуға арналған жылулық қорғаныс жүйесін жобалауда қолданылады.

Жобаның тағы бір маңызды бағыты – қалақтардың конструкциясын есептеу сұйықтықтар динамикасы, яғни CFD әдістерінің көмегімен оңтайландыру. Компьютерлік модельдеу ауа ағынының турбина қалақтарымен өзара әрекеттесуін зерттеуге және конструкцияның энергия тиімділігін арттыруға мүмкіндік береді.

Ғалымдар қалақтардың аэродинамикалық параметрлерін, ауа ағынының қозғалысын және мұздану жағдайында пайда болатын өзгерістерді жан-жақты талдайды. Мұндай есептеулер жел энергетикалық қондырғының климаттық жағдайларға бейімделген неғұрлым тиімді конструкциясын жасауға негіз болады.

Жобада ерекше назар қалақтарды жылыту жүйесін әзірлеуге аударылады. Зерттеушілер қалақтардың ішіндегі арналар арқылы жылы ауаның қозғалуын қамтамасыз ететін табиғи желдету жүйесінің геометриялық параметрлерін анықтайды.

Бұл ретте жылы ауаның қозғалысы айналып тұрған турбинаның орталықтан тепкіш күшінің әсерімен жүзеге асады. Мұндай инженерлік шешім қосымша жабдықтың көмегінсіз жылытылған ауаны қалақтардың қажетті бөліктеріне жеткізуге мүмкіндік береді.

Ғалымдар ауа арналарының геометриясын, ауа ағынының жылдамдығын және жылу алмасу параметрлерін зерттей отырып, қалақтардың бетінде жылудың біркелкі таралуына қол жеткізуді көздейді.

Жобаның келесі кезеңінде жел энергетикалық қондырғының тәжірибелік үлгісі әзірленеді. Ол үшін толық жобалау-конструкторлық құжаттама дайындалып, жел турбинасының негізгі конструкциялық элементтері жасалады.

Тәжірибелік үлгі Қазақстанның күрт континенттік климат жағдайына бейімделген жел энергетикалық қондырғының жұмысын нақты жағдайда тексеруге мүмкіндік береді. Прототипті әзірлеу теориялық және компьютерлік модельдеу нәтижелерін тәжірибе жүзінде бағалаудың маңызды кезеңі болып табылады.

Жел турбинасы алдымен бақыланатын жағдайларда, кейін нақты климаттық ортада сыналады. Сынақтар барысында ғалымдар метеорологиялық көрсеткіштерді, қалақтардың температурасын, ауа ағынының жылдамдығын, жылу шығынын, діріл деңгейін және қондырғының энергия өндіру көрсеткіштерін өлшейді.

Алынған эксперименттік деректер теориялық модельдердің дұрыстығын тексеруге және жел турбинасының конструкциясын одан әрі жетілдіруге мүмкіндік береді. Зерттеушілер нақты климат жағдайындағы мұздану заңдылықтарын талдай отырып, жылулық қорғаныс жүйесінің тиімділігін бағалайды.

Жобаның маңызды міндеттерінің бірі – жел энергетикалық қондырғының өнімділігін арттыру және мұзданудың әсерін барынша азайту. Ғалымдар әзірленіп жатқан жүйенің көмегімен турбинаның жұмыс тұрақтылығын жақсартуды және қолданыстағы шешімдермен салыстырғанда оның тиімділігін арттыруды жоспарлап отыр.

Зерттеу нәтижелері негізінде жел турбинасының конструкциясы оңтайландырылады. Бұл жабдықтың сенімділігін арттыруға, пайдалану шығындарын төмендетуге және Қазақстанның климаттық жағдайына бейімделген жаңа жел энергетикалық технологияларды дамытуға мүмкіндік береді.

Жобаның ғылыми жаңалығы мұздануға қарсы бірегей жылулық қорғаныс жүйесі бар жел турбинасын әзірлеумен байланысты. Ұсынылып отырған тәсілде қалақтардың қуыс элементтері арқылы жылы ауаның табиғи айналымын пайдалану қарастырылады.

Бұл шешім дәстүрлі сыртқы жылыту жүйелеріне тәуелділікті төмендетіп, энергия шығынын азайтуға мүмкіндік береді. Сонымен қатар мұндай тәсіл мұзданудың алдын алу жүйесін жел турбинасының конструкциясымен кешенді түрде біріктіруге бағытталған.

Зерттеудің тағы бір ерекшелігі – оның пәнаралық сипаты. Жоба аясында аэродинамика, жылуфизика, машина жасау, энергетикалық инженерия, материалтану және компьютерлік модельдеу салаларындағы ғылыми әдістер біріктіріледі.

Практикалық тұрғыдан алғанда, жобаның Қазақстан үшін маңызы зор. Елдің климаттық жағдайына бейімделген жел энергетикалық технологияларды дамыту жаңартылатын энергия көздерінің тиімділігін арттыруға ықпал етеді.

Жобаның нәтижелері жел энергетикалық жабдықтарды жергілікті деңгейде жобалау және өндіру мүмкіндіктерін кеңейтуге де бағытталған. Бұл импорттық технологияларға тәуелділікті төмендетуге және отандық инженерлік шешімдерді дамытуға мүмкіндік береді.

Әзірленіп жатқан технология шалғай және күрделі климат жағдайындағы өңірлерде жел энергетикалық қондырғыларды қолдану мүмкіндігін кеңейтуі мүмкін. Сенімді әрі энергияны тиімді пайдаланатын жел турбиналарын жасау Қазақстанның энергетикалық инфрақұрылымын әртараптандыруға ықпал етеді.

Жоба сонымен қатар қазақстандық инженерлер мен жас зерттеушілер үшін ғылыми-білім беру алаңына айналады. Зерттеу барысында жаңартылатын энергетика, компьютерлік модельдеу, машина жасау және жылу техникасы салаларындағы жаңа ғылыми және инженерлік құзыреттер дамытылады.

Ғалымдар жоба нәтижесінде жартылай өнеркәсіптік деңгейдегі жел энергетикалық қондырғының тәжірибелік үлгісін жасап, оның техникалық сипаттамаларын нақты климат жағдайында бағалауды жоспарлап отыр.

Сонымен қатар жел турбинасының жобалау-конструкторлық және технологиялық құжаттамасы әзірленеді. Бұл болашақта технологияны жетілдіруге және оны өндіріске енгізуге негіз болады.

Зерттеу нәтижелері Қазақстандағы жаңартылатын энергетика саласының ғылыми және технологиялық әлеуетін арттыруға, қатал климат жағдайында жұмыс істейтін жел энергетикалық жүйелерді дамытуға және энергетикалық қауіпсіздікті нығайтуға ықпал етеді.

ҚазҰУ ғалымдарының бұл жобасы Қазақстанның табиғи-климаттық ерекшеліктерін ескере отырып, жел энергетикасына арналған жаңа инженерлік шешімдерді әзірлеуге бағытталған маңызды ғылыми бастамалардың бірі болмақ.