Возобновляемые источники энергии и экологическое топливо

XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Возобновляемые источники энергии и экологическое топливо

Князева В.И. 1
1ГБОУ СОШ № 2 г.Нефтегорск Самарская область
Рыбакова Т.А. 1
1ГБОУ СОШ № 2 г.Нефтегорск Самарская область
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Никакой вид энергии не обходится

так дорого, как её недостаток.

Гоми Баба, 1964

Это высказывание известного индийского ученого никогда не звучало столь актуально, как в наши дни, когда человечество, не считаясь с огромными финансовыми расходами, прилагает все уси­лия к поиску новых путей получения энергии на транспорте.

Проблемы, связанные с происхождением, экономичностью, тех­ническим освоением и способами использования различных источни­ков энергии, были и будут неотъемлемой частью жизни на нашей планете. Прямо или косвенно с ними сталкивается каждый житель Земли. Понимание принципов производства и потребления энергии составляет необходимую предпосылку для успешного решения при­обретающих все большую остроту проблем современности и в еще большей степени – ближайшего будущего.

Проблемы экологической безопасности автомобильного транспорта являются составной частью экологической безопасности страны. Значимость и острота этой проблемы растет с каждым годом, так как двигатели внутреннего сгорания, работающие на продуктах нефтепереработки, имеют ряд значительных недостатков:

Во-первых, нефть сегодня - основной и наиболее востребованный энергоресурс. Однако ее запасы заканчиваются, и уже понятно, что наступает закат нефтяной эры. Согласно прогнозам, мировые ресурсы нефти ограничены, например, для стран Европы, включая Российскую Федерацию, – двумя-тремя десятками лет.

Во-вторых, двигатели внутреннего сгорания, работающие на продуктах нефтепереработки, оказывают антропогенное воздействие на окружающую среду. Один автомобиль ежегодно поглощает из атмосферы в среднем более 4 т кислорода, выбрасывая при этом с отработанными газами примерно 800 кг угарного газа, 40 кг оксидов азота и почти 200 кг различных углеродов. В результате, в России от автотранспорта за год в атмосферу поступает огромное количество канцерогенных веществ: 27 тыс. т бензола, 17,5 тыс. т формальдегида и 5 тыс. т свинца. В целом, общее количество вредных веществ, ежегодно выбрасываемых автомобилями, превышает цифру в 20 млн. т [1].

В-третьих, каждый может заметить, что с каждым днем автомобилей в городах становится все больше, с этим связано и то, что концентрация кислорода в воздухе довольно сильно снижается. Это сказывается не только на жизни и здоровье человека, но еще и приводит к разрушению состава атмосферы, что в свою очередь является причиной возникновения кислородного голодания, которое все более устойчиво в последнее время.

В связи с этим единственный путь решения энергетической проблемы автомобильного транспорта - это поиск и создание альтернативных источников энергии. Переход к экологически чистому источнику энергии позволит решить множество проблем. При этом такой вид топлива должен удовлетворить очень многим требованиям: иметь необходимые сырьевые ресурсы, низкую стоимость, соответствовать экологическим требованиям и по возможности сочетаться со сложившейся системой снабжения топливом.

Гипотеза

Солнце является наиболее экологичным и экономически выгодным источником энергии для транспорта.

Цель

Проанализировать альтернативные источники энергии для транспорта и выделить наиболее экономичный и экологически чистый.

Задачи

Изучить различные информационные источники;

Расширить свои теоретические знания о существующих источниках энергии для транспорта;

Рассмотреть экологичность и экономичность таких альтернативных источников энергии, как природный газ, водород, этанол, электричество и Солнце;

Проанализировать полученные данные и сделать выводы;

Создать модель автомобиля, работающего на альтернативном источнике энергии.

Объект исследования Альтернативная энергия для транспорта

Предмет исследования Солнечная батарея

Методы исследования:

Для решения поставленных задач использован комплекс взаимодополняющих научных методов, адекватных предмету исследования:

изучение литературы;

анализ статистических данных;

обобщение опыта практической работы;

наблюдения;

эксперимент.

Теоретическая и практическая значимость

Результаты исследовательской работы будут интересны всем владельцам автомобильного транспорта. Переходя на альтернативные источники энергии они не только снизят свои затраты на потребляемые энергоресурсы, но и сделают ощутимый вклад в чистоту окружающей нас среды.

Глава I. Теоретическая часть

Оценка выбросов загрязняющих веществ

в атмосферу Самарской области

Для городов Самара и Тольятти проблема загрязнения атмосферного воздуха от эксплуатации автомобильного транспорта является наиболее актуальной. По данным государственного доклада о состоянии окружающей среды и природных ресурсов Самарской области за 2019 год и в Самаре, и Тольятти по ряду постов наблюдается превышение ПДК по формальдегиду, углеводородам, бензопирену, что оказывает негативное влияние на окружающую среду и здоровье населения.

По состоянию на начало 2019 года на территории Самарского региона наличие автотранспортных средств составило 1042200 единиц. Сохраняется тенденция их ежегодного роста.

На территории Самарской области на одного человека приходится 115 кг. вредных веществ.

Вывод: выбросы автотранспорта в Самарской области огромны. Это требует принятия целевых мер, направленных на снижение объёмов выбросов и загрязнения атмосферного воздуха от автотранспорта.

Бензиновые двигатели. Преимущества и недостатки бензина

в качестве топлива для двигателей

Бензиновые двигатели— это класс двигателей внутреннего сгорания, в цилиндрах которых предварительно сжатая топливовоздушная смесь поджигается электрической искрой.

Преимущества бензина в качестве топлива для двигателей

1. Высокая энергетическая плотность (отношение энергии к массе). Другими словами, с помощью данного количества топлива можно получить много полезной работы;

2. Большая мощность в отношении к объему и весу;

3. Надежность. Качественно изготовленные бензиновые двигатели, если за ними хорошо ухаживать, проработают десятилетия;

4. Возможность работы в широком диапазоне температур, уровней влажности и атмосферного давления [5].

Недостатки бензина в качестве топлива для двигателей

1. Выделение двуокиси углерода СО2 — парниковый газ;

2. Выделение некоторого количества окиси углерода СО – смертельно опасный газ;

3. Существует опасность возгорания, если бензин небрежно хранится или происходит его утечка;

5. Некоторые соединения, входящие в состав бензина, вызывают риск возникновения рака у людей и животных при непосредственном воздействии на них в течение длительного периода времени;

6. Бензин получается путем переработки сырой нефти, цена которой может внезапно существенно измениться;

7. Производство из не возобновляемого источника энергии - нефти.

1.3. Выбросы загрязняющих веществ автомобильными двигателями.

Влияние выбросов на здоровье населения

В выхлопных газах содержится около 200 химических соединений. Среди них вещества как безвредные для организма человека (азот N2, кислород O2, водяные пары H2O, углекислый газ CO2), так и весьма токсичные соединения, в том числе канцерогены (вещества, повышающее вероятность возникновения злокачественных новообразований (опухолей).

1. Монооксид углерода (СО, угарный газ) — ядовитый газ. Образуется в результате неполного сгорания ископаемого топлива (угля, газа, нефти) в условиях недостатка кислорода и при низкой температуре. При вдыхании угарный газ за счёт имеющейся в его молекуле двойной связи образует прочные комплексные соединения с гемоглобином крови человека и тем самым блокирует поступление кислорода в кровь. Присутствие оксида углерода в атмосферном воздухе не может ощущаться человеком по запаху либо цвету. Оксид углерода считается «вдыхаемым ядом», способным создавать дефицит кислорода в тканях тела, что может вызвать головную боль, головокружение, тошноту, потерю сознания и даже смерть [14].

2. Углеводороды (СН) в присутствии диоксида азота под воздействием солнечных лучей окисляются и образуют ядовитые кислородсодержащие соединения с резким неприятным запахом – фотохимический смог. Полициклические ароматические углеводороды, содержащиеся в сажах и смолах — сильные канцерогены. Некоторые классы углеводородов способны вызывать мутации [14].

3. Диоксид азота (NO2) – газ желтовато-бурого цвета, сильно ухудшающий видимость, придает коричневый оттенок воздуху, высокотоксичен, вызывает бронхит, понижает сопротивляемость организма к респираторным заболеваниям. Исследования Всемирной организации здравоохранения показывают, что воздействие диоксида азота может приводить как к острым, так и к хроническим воздействиям на здоровье человека, особенно у людей, страдающих хроническими заболеваниями дыхательных путей, и у детей [1].

4. Диоксид серы (SO2) – бесцветный газ с острым запахом. В малых концентрациях (20-30 мг/м³) диоксид серы создает неприятный вкус во рту, раздражает слизистые оболочки глаз и дыхательных путей. При большом содержании SO2 в воздухе происходит усыхание сосны. Отмечено, что заболевания дыхательных путей, например, бронхиты, учащаются при повышении уровня оксидов серы в воздухе. Воздействие диоксида серы в концентрациях выше ПДК может вызвать нарушение функций дыхания и существенное увеличение различных болезней дыхательных путей, отмечается действие на слизистые оболочки, воспаление носоглотки, трахеи, бронхиты, кашель, хрипота и боль в горле [1].

5. Свинец (Pb). Свинец является одним из наиболее токсичных металлов и включен в списки приоритетных загрязнителей. Воздействие свинца особенно губительно сказывается на детском организме, который гораздо более чувствителен, чем взрослый, к токсическому воздействию этого тяжелого металла. Доказано, что даже низкие уровни свинца в организме детей приводят к существенному снижению умственного развития [1].

Длительный контакт со средой, отравленной выхлопными газами автомобилей, вызывает общее ослабление организма – иммунодефицит. Кроме того, газы сами по себе могут стать причиной различных заболеваний. Например, дыхательной недостаточности, гайморита, ларинготрахеита, бронхита, бронхопневмонии, рака легких. Кроме того, выхлопные газы вызывают атеросклероз сосудов головного мозга. Опосредованно через легочную патологию могут возникнуть и различные нарушения сердечно-сосудистой системы.

1.4. Альтернативные источники энергии.

Анализ альтернативных источников энергии на транспорте

Альтернативная энергетика — совокупность перспективных способов получения энергии, которые распространены не так широко, как традиционные, однако представляют интерес из-за выгодности их использования при низком риске причинения вреда экологии [5].

Альтернативный источник энергии — способ, устройство или сооружение, позволяющее получать электрическую энергию (или другой требуемый вид энергии) и заменяющий собой традиционные источники энергии.

Наиболее широкое распространение получили следующие виды альтернативных источников энергии:

– природные газы,

– водород,

– этанол,

– электричество,

– Солнце.

1.4.1. Использование газомоторного топлива 

в качестве источника энергии для транспорта

Достоинства природного газа в качестве топлива для двигателей

1. Экологичность. При массовом использовании автомобилей на газомоторном топливе вред выбросов для здоровья человека на 60% ниже, чем при массовом использовании бензина и дизельного топлива (Приложение 1) [10];

2. Экономическая выгода. Сжатый метан стоит в 2—3 раза дешевле, чем бензин; 3. Долгая служба двигателя. Благодаря большему октановому числу газ дольше сгорает, что приводит к отсутствию детонации и уменьшению нагрузок на двигатель;

4. Мобильность. При установке газобаллонного оборудования сохраняется возможность использования бензина или дизеля;

5. Уменьшается уровень шума работающего двигателя на 2–3 dB.

Недостатки природного газа в качестве топлива для двигателей

1. Потеря мощности двигателя при переоборудовании составляет до 10%;

2. Невозможность использования при низких температурах и особое внимание при высоких. На давление газа в баллоне оказывает влияние температура окружающей среды. При низкой температуре (- 10°С) он сжижается и перестаёт попадать в систему, к тому же газ имеет более низкую температуру воспламенения, что ухудшает пусковые качества двигателя (старт возможен только на бензине);

3. Увеличение веса автомобиля и ограничение объёма багажного отделения. Газобаллонное оборудование прибавит к массе автомобиля около 60 лишних килограмм.

1.4.2. Использование водорода в качестве

источника энергии для транспорта

Достоинства водорода в качестве топлива для двигателй

1. Высокая экологичность;

2. Простая конструкция;

3. Бесшумность;

4. Массовое производство и использование водорода может облегчить проблемы, связанные с меняющимися ценами и перерывами в поставках обычных видов топлива;

5. Отсутствие необходимости охлаждения двигателя [2].

Недостатки водородных ДВС

1. Дорогой и сложный способ получений топлива в промышленных объемах;

2. Отсутствие водородной инфраструктуры заправок автотранспорта;

3. Не разработаны стандарты транспортировки, хранения и применения топлива на водороде;

4. Несовершенство технологий хранения топлива;

5. Дорогие водородные элементы;

6. Большой вес транспорта;

7. Существует опасность возгорания и взрыва при работе водорода с традиционным топливом [2].

1.4.3. Использование этанола в качестве

источника энергии для транспорта

Достоинства этанола в качестве топлива для двигателей

1. Добавление этанола вызывает повышение октанового числа обычного бензина, что, в свою очередь, позволяет увеличить пробег автомобиля;

2. Этанол может использоваться как основной компонент топлива (как, например, в Е85), таким образом снижая зависимость от нефтяных продуктов;

3. При сгорании выделяет значительно меньше вредных веществ, чем нефтяное топливо;

4. Растительное сырье, используемое для производства этанола, относится к возобновляемым источникам;

6. Этанол не является настолько горючим, как бензин, поэтому он менее взрывоопасен;

7. Для применения серьезных изменений конструкции ДВС не требуется [5].

Недостатки этанола в качестве топлива для двигателей

1. Заправочные станции для бензина, содержащего этанол, особенно Е85, не столь широко распространены, как заправочные станции для обычного бензина;

2. Высокая скрытая теплота испарения (840кДж/кг) затрудняет холодный пуск двигателя (при температуре 5°С и ниже он становится невозможным);

3. Относительно высокая электропроводность в сочетании с более высоким содержанием кислорода требует защиты деталей топливной системы от коррозии.

1.4.4. Использование аккумуляторных батарей

в качестве источников энергии для транспорта

Достоинства электромобилей

1. Сокращение расходов на топливо;

3. Высокая экологичностьввиду отсутствия применения нефтяных топлив, антифризов, трансмиссионных и моторных масел;

4. Меньший шум за счёт меньшего количества движимых частей;

5. Безопасность. В случае столкновения сработают подушки безопасности, датчики столкновения отключат аккумуляторы, так что автомобиль остановится.

6. Тяговый электродвигатель имеет КПД до 90-95%;

7. Простота конструкциии управления, высокая надёжность и долговечность экипажной части (до 20—25 лет) в сравнении с обычным автомобилем [7].

Недостатки электродвигателей

1. Малое количество станций для подзарядки;

3. Короткий пробег и ограниченная скорость. Большинство электромобилей могут проходить примерно от 160 до 240 км без подзарядки;

4. Время перезарядки. Обычно для полной зарядки электромобиля требуется около 8 — 10 часов;

5.Отсутствие шума;

6.Обычно 2-х местные;

8.Высокая стоимость. Многие базовые модели электромобилей очень дороги, поскольку в них применяются самые последние технологии, которые требуют значительных инвестиций на разработку;

9. Воздействие создаваемых электрических полей на организм человека [7].

Принцип работы электромобилей

Электромобиль состоит из нескольких принципиально важных частей. Это — электропитающий элемент (аккумуляторная батарея), электрический двигатель постоянного тока, блок управления работой двигателя (контроллер), потенциометр (реостат, реагирующий на нажатие педали газа и тормоза) (Приложение 2).

Контроллер принимает токи от батарей и подает их на электрический двигатель. Благодаря паре потенциометров обеспечивается формирование сигнала, подаваемого к контроллеру, о том, сколько энергии он должен доставить. Когда автомобиль останавливается, контроллер не подает токов на двигатель, во время же движения, при давлении на педаль акселератора контроллер обеспечивать подачу электрического тока на электромотор.

1.4.5. Использование солнечных батарей в качестве

источника энергии для транспорта

Достоинства использования Солнца в качестве источника энергии

1. Солнце — экологически чистый источник энергии, который не загрязняет окружающую среду;

2. Солнечная энергия неисчерпаема, в отличие от традиционных видов топлива;

3. Солнечные батареи после установки требуют минимального обслуживания и производят энергию без участия человека.

Недостатки использования Солнца в качестве источника энергии

1. Выработка электроэнергии только в течение светового дня;

2. Для производства достаточного количества электроэнергии необходимо устанавливать большие площади солнечных батарей;

3. Высокая начальная стоимость солнечных панелей;

4. Зависимость от климатических условий;

5. Низкий КПД 10-12%

Принцип работы солнечных панелей

Солнечная батарея – система взаимосвязанных элементов, структура которых позволяет, используя принцип фотоэффекта, преобразовывать попадающий на них под определённым углом солнечный свет в электрический ток. Система, преобразующая солнечный свет в электрическую энергию состоит из следующих комплектующих элементов:

-Материал-полупроводник (плотно совмещённые два слоя материалов с разной проводимостью). Для возникновения перехода электронов из одного материала в другой необходимо, чтобы один из слоёв имел избыток электронов, а другой – их недостаток. Переход электронов в область с их недостатком называют p-n переходом. Тончайший слой элемента, противостоящего переходу электронов (размещается между этими слоями).

-Источник электропитания (если его подключить к противостоящему слою, электроны смогут легко преодолевать эту запорную зону). Так возникнет упорядоченное движение зараженных частиц, именуемое электрическим током.

-Аккумулятор (накапливает и сохраняет энергию).

-Контроллер заряда.

-Инвертор-преобразователь (преобразование получаемого от солнечной батареи постоянного электрического тока в переменный ток).

-Стабилизатор напряжения (предназначен для создания напряжения нужного диапазона в системе солнечной батареи).

Схема работы солнечной панели (Приложение 3). Фотоны света (солнечный свет), попадающие на поверхность полупроводника при столкновении с его поверхностью передают свою энергию электронам полупроводника. Выбитые вследствие удара из полупроводника электроны преодолевают защитный слой, имея дополнительную энергию. Таким образом, отрицательные электроны покидают p-проводник, переходя в проводник n, положительные – наоборот. Такому переходу способствуют существующие в проводниках на тот момент электрические поля, которые в последствие увеличивают силу и разность зарядов (до 0.5 В в небольшом проводнике).

Глава II. Практическая часть

2.1. Сравнительная характеристика автомобильных выбросов токсичных компонентов при использовании различных видов топлива

Приложение 4. Удельные выбросы токсичных веществ при грузоподъемности автомобиля 2,0-5,0 т.

Выбросы автомобиля, при использовании природного газа в качестве топлива по сравнению с использованием бензина снижаются, а именно:

→Выбросы CO снижаются на 49%

→Выбросы CH снижаются на 43%

→Выбросы NO2 остаются прежними

→Выбросы SO2 снижаются на 13 %

→При использовании природного газа в качестве источника энергии на транспорте выброса свинца не происходит

Выбросы автомобиля, при использовании водорода в качестве топлива по сравнению с использованием бензина снижаются, а именно:

→Выбросы CO снижаются на 93%

→Выбросы CH снижаются на 43%

→Выбросы NO2 снижаются на 55%

→При использовании водорода в качестве топлива на транспорте выбросов SO2 и Pb не происходит

Выбросы автомобиля, при использовании топлива E-85 (85% этанола и 15% бензина) по сравнению с использованием бензина снижаются, а именно:

→Выбросы CO снижаются на 50%

→Выбросы NO2 снижаются на 4%

→При использовании топлива E-85 на транспорте выбросов CH, SO2, Pbне происходит

При использовании электричества и солнца в качестве источника энергии каких-либо токсичных выбросов в атмосферу не происходит.

Выводы:

При переходе на любой из таких видов альтернативных источников энергии как природный газ, водород, этанол, электричество и Солнце выбросы в атмосферу значительно снижаются.

Самыми экологически чистыми источниками энергии являются электричество и Солнце

2.2. Сравнение расходов на различные виды топлива

в небольшом городе за год

Средние затраты на топливо транспортного средства, я рассчитывала по формуле:

 

Пробег за год × расход топлива на 1 км × стоимость 1 л

Расчёт расходов на бензин

В среднем автомобиль расходует 7 л бензина на 100 км, тогда на 1 км:

7 л ÷100 км = 0,07 л

Расход на бензин за год составит:

10000 × 0,07 × 35,73 = 25025 рублей

Расчёт расходов на газовое топливо

В среднем автомобиль расходует 8 л газа на 100 км, тогда на 1 км:

8 л ÷ 100 км = 0,08 л

Расход на газовое топливо за год составит:

10000 × 0,08 × 16,5 = 13200 рублей

Расчёт расходов на водородное топливо

В среднем автомобиль расходует 25 л жидкого водорода на 100 км, тогда на 1 км:

25 л ÷ 100 км = 0,25 л

Расход на водородное топливо за год составит:

10000 × 0,25 × 731,6 = 1829000 рублей

Расчёт расходов на топливо Е-85 (85% этанола и 15% бензина)

В среднем автомобиль расходует 33 л Е-85 на 100 км, тогда на 1 км:

33 л ÷ 100 км = 0,33 л

Расход на топливо Е-85 за год составит:

10000 × 0,33 × 289 = 953700 рублей

Расчёт расходов на электроэнергию в год

В среднем электромобилю необходимо 30 кВт/ч на 160 км, тогда на 1 км:

30 к Вт/ч ÷ 160 км = 0,1875 кВт/ч

1 кВт/ч = 3,74 руб.

Расход на электроэнергию за год составит:

10000 × 0,1875 × 3,74 = 7012,5 рублей

Но необходимо учесть, что электромобиль на сегодняшний день стоит недёшево. Если выбирать модель, сравнимую с легковым автомобилем (разгон 4.4с до 100км/ч, макс. скорость 210км/ч) она будет стоить 8 500 000 рублей, при этом запас хода без подзарядки 200 км. Модель, максимальная скорость которой 135 км/ч обойдётся 3 300 000 рублей, при этом запас хода без подзарядки всего лишь около 100 километров.

Расчёт расходов на солнцемобиль

На сегодняшний день, автомобили, работающие от солнечной энергии, очень дороги. Например, двухместный автомобиль от швейцарской фирмы «Сан-крафт» обойдётся в 1 350 000 рублей при этом, пробег на одной зарядке аккумулятора всего лишь около 50 километров, а максимальная скорость — 50 км/ч.

Французская компания Venturi разработала автомобиль Astrolab, который работает полностью на энергии солнца и потребляет очень мало энергии (его двигатель всего на 16 кВт), подзарядка может происходить и в движении, т.е. практически постоянно (кроме ночи). При всём при этом Astrolab способен достигать максимальной скорости 120 км/ч. Стоимость такого автомобиля 7 287 000 рублей.

Таким образом,

Переход на газовое топливо позволит водителям сэкономить приблизительно 11825 рублей в год.

Переход на водородное топливо не сможет оправдать себя с точки зрения экономии. Так как расходы на данное топливо в год, по сравнению с расходами на бензин, увеличиваются примерно в 73 раза.

Переход на топливо E-85 не сможет оправдать себя с точки зрения экономии. Так как расходы на данное топливо в год, по сравнению с расходами на бензин, увеличиваются примерно в 38 раз.

Переход на электрическую и солнечную виды энергии на сегодняшний день обойдется очень дорого. И скорее всего, массовость автомобилей, берущих энергию от Солнца или электричества, наступит не скоро. А пока такие модели могут обрести владельцы, обладающие соответствующим капиталом.

Вывод: самый экономически выгодный источник энергии – природный газ

2.3. Изготовление солнечной батареи в домашних условиях

Солнечная батарея - устройство для преобразования энергии солнца в электричество. Современные солнечные батареи с высокой производительностью, сделаны из специально обработанного кремния и требуют огромных фабрик, высоких температур, особой чистки и большого количества денег.

Солнечную батарею можно сделать и в домашних условиях из материалов, купленных в хозяйственном магазине. Моя солнечная батарея сделана из оксида меди вместо кремния. Окись меди - один из первых материалов, в котором учёные открыли фотоэлектрический эффект.

Для изготовления солнечной батареи мне понадобилось: лист меди (примерно 45кв.см.), два зажима "крокодильчика", чувствительный микроамперметр, электрическая печь, пластиковая бутылка, столовая соль, вода из-под крана, наждачная бумага, листовой металл.

Изготовление:

1. Я отрезала часть меди, чтобы она была размером с электрическую плиту. Вымыла медный лист с моющим средством, чтобы смыть с него какие-либо загрязнения. Затем, используя наждачную бумагу или абразивную щетку, полностью убрала медное защитное покрытие так, чтобы любой сульфид или другая легкая коррозия были удалены.

2. Для начала необходимо обжечь одну медную пластину. Затем подождать, чтобы чёрная оксидная плёнка отслоилась (Приложение 5).

3. Когда медь охладилась до комнатной температуры (это заняло приблизительно 20 минут), большая часть черной оксидной пленки отслоилась. Я очистила медный лист под проточной водой, чтобы удалить большинство маленьких кусочков.

4. Затем я обрезала второй лист меди под размер с первым. И вставила их в пластмассовую бутылку так, чтобы они не касались друг друга. Прицепила "крокодильчики" к обеим пластинам. При этом я подсоединила провод от чистой меди к плюсу, а провод от пластины с оксидом - к минусу (Приложение 6).

5. Затем я смешала пару столовых ложек соли в небольшом количестве горячей воды из под крана и вылила смесь в бутылку, оставив примерно 2.5см от краёв пластин.

Прибор в комнате (Приложение 7). Когда солнечная батарея находится в комнате, амперметр показывает приблизительно ­5 миллиампер.

Прибор на солнце (Приложение 8). Когда солнечная батарея находится на солнечном свету, амперметр показывает приблизительно 10 миллиампер.

Как это работает?

Оксид меди - полупроводник. Он начинает проводить ток при изменении определённых условий. В данном случае я изменяла (повышала) температуру, ведь в полупроводнике с повышением температуры сопротивление тока уменьшается. Таким образом, наводя на полупроводник солнечный свет, я увеличила его электропроводность.

Помимо этого, в полупроводниках резкое увеличение электропроводности можно наблюдать при введении в него примесей определённых веществ. В данном случае роль примеси играет чёрный налёт – двухвалентный оксид меди, а под ним находится сам полупроводник одновалентный оксид мели ярко-красного цвета. А раствор хлорида натрия (солёная вода) является электролитом.

2.4. Создание автомобиля, работающего на альтернативном

источнике энергии.

Так как я выяснила, что Солнце и электричество – самые экологичные источники энергии, я создала модель автомобиля работающего от этих двух источников энергии одновременно.Автомобиль был собран по следующей схеме (Приложение 9). В электрической цепи два источника энергии: солнечная батарея и USB-разъём, работающие независимо друг от друга. Так же в электрическую цепь входят диод 1N4007, стабилизатор, аккумулятор samsung от старого телефона, двигатель 3В из школьной лаборатории и ключ.

Аккумуляторная батарея служит в этой схеме накопителем электроэнергии, которая вырабатывается солнечной батареей в течение дня, чтобы в темное время суток питать подключенные устройства.

Диод включен в цепь для того, чтобы электрический ток двигался в одном направлении от солнечной батареи или USB на аккумулятор и не двигался в обратном направлении.

Благодаря двум источникам энергии мы можем быть уверены в постоянной работе двигателя. Днём в солнечную погоду, двигатель будет работать от энергии солнца, а вечером или в пасмурную погоду аккумулятор можно зарядить с помощью электрической энергии.

В данной модели автомобиля я объединила два экологически чистых альтернативных источника энергии - электричество и Солнце. Именно такой автомобиль, на мой взгляд, - это модель автомобиля будущего (Приложение 10).

Выводы

Выбросы автотранспорта в Самарской области огромны. Это требует принятия целевых мер, направленных на снижение объёмов выбросов и загрязнения атмосферного воздуха от автотранспорта;

При переходе на любой из таких видов альтернативных источников энергии как природный газ, водород, этанол, электричество и Солнце выбросы в атмосферу значительно снижаются;

Самыми экологически чистыми источниками энергии являются электричество и Солнце;

Самый экономически выгодный источник энергии – природный газ.

Заключение

Запасы топливных ресурсов ограничены, при этом использование двигателей внутреннего сгорания, работающих на бензине, катастрофически загрязняет атмосферу. Поэтому, на сегодняшний день, единственный путь решения экологической и энергетической проблемы автомобильного транспорта – это переход на альтернативный источник энергии.

Проанализировав экономичность и экологичность таких альтернативных источников энергии как природный газ, водород, этанол, электричество и Солнце, я могу сделать следующие выводы:

Поиск, развитие и использование альтернативных источников энергии необходимо.

Альтернативный источник энергии XXI века – газ. Так как выбросы автомобиля, работающего на природном газе, по сравнению с автомобилем, работающем на бензине, значительно снижаются. Расходы за год на природный газ так же снижаются.

Самые экологичные альтернативные источники энергии – электричество и Солнце.

Переход на солнечную энергию более экономичен, чем переход на электрическую энергию. Это обусловлено тем, что после приобретения электромобиля его нужно будет заряжать, например, на станциях для подзарядки, за что нужно платить. В то время как после приобретения солнцемобиля, тратиться на подзарядку не придётся.

Альтернативный источник энергии будущего – Солнце. Использование солнечной энергии приобретёт массовость в будущем, когда эта отрасль науки будет более развита, автомобили станут не так дороги и доступны каждому из нас.

Таким образом, гипотеза, выдвигаемая мной в начале исследования, подтвердилась в том, что Солнце – наиболее экологичный источник энергии на транспорте.

Список используемой литературы

Ломакин В. В. Безопасность автотранспортных средств. – М: МГТУ «МАМИ», 2011 - 299 с.

Шайкин А.П., Русаков М.М. и др. ДВС с добавкой водорода в топливно-воздушную смесь для городского автомобиля. // НТК Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники. – Москва, 2002.

Носырев Д.Я. Перспективы и проблемы применения альтернативных видов топлива в локомотивных энергетических установках– Самара: СамГУПС, 2009 - 117 с.

Журнал «Моделист-Конструктор» №12,2009

Стэн Гибилиско. Альтернативная энергетика без тайн. – М: Эксмо-Пресс, 2010 - 368 с.

А. Я. Глиберман, А. К. Зайцева. Кремниевые солнечные батареи - М.: Книгапо Требованию, 2012. – 74 с.

Б. П. Бусыгин. Электромобили. Учебное пособие. – М: МАДИ, 1979 - 37с.

http://www.ecopassport.samregion.ru/ (Экологический паспорт Самарской области)

http://www.enersy.ru/ (Новая энергия)

http://www.energy-experts.ru/news11198.html(Онлайн-конференция «Перевод транспорта на газ: проблемы и перспективы»)

http://www.ngvrus.ru/ (Национальная газомоторная ассоциация)

http://bibliofond.ru/ (Реферат «Понятие электромобиля»)

http://altenergiya.ru/ (Альтернативная энергия)

http://www.who.int/ru/ (Всемирная организация здравоохранения)

Приложения

Приложение 1. Удельные выбросы токсичных веществ автомобильными ДВС

Грузоподъемность автомобиля, т.

Тип двигателя

Пробеговый выброс, г/км

CO

CH

NO2

SO2

Pb

0,5 – 2,0

Газовый

11,3

2,3

2,6

0,12

-

Бензиновый

22

3,4

2,6

0,13

0,019

2,0 – 5,0

Газовый

26,8

2,7

5,1

0,14

-

Бензиновый

52,6

4,7

5,1

0,16

0,023

5,0 – 8,0

Газовый

37,4

4,4

9,2

0,17

-

Бензиновый

73,2

5,5

9,2

0,19

0,029

Приложение 2. Схема работы электродвигателя

Приложение 3. Схема работы солнечной панели

Приложение 4.Удельные выбросы токсичных веществ при грузоподъемности автомобиля 2,0-5,0 т.

Источник энергии

Пробеговый выброс, г/км

CO

CH

NO2

SO2

Pb

Бензин

52,6

4,7

5,1

0,16

0,023

Природный газ

26,8

2,7

5,1

0,14

-

Водород

3,93

2,67

2,3

-

-

Этанол E-85

26,3

-

4,947

-

-

Электроэнергия

0

0

0

0

0

Солнце

0

0

0

0

0

Приложение 5. Процесс обжигания медной пластины

 

Медь начнёт нагреваться и окисляться, появятся красно-оранжевые пятна на её поверхности.

 

Когда медь нагреется ещё больше, разноцветные пятна станут заменяться чёрным цветом-оксидом меди. Все цвета исчезают, когда спираль уже красная.

 

Когда горелка будет пылать, лист меди будет покрыт черным медным оксидом. Я жарила лист ещё полчаса, чтобы черное покрытие стало толстым. Это важно, так как толстое покрытие отслоится легко, в то время как тонкое останется, прилипнув к меди.

 

После получаса выключила горелку и оставила охлаждаться медный лист.

 

Поскольку медь охлаждается, она сжимается. Черная медная окись также сжимается. Но они сжимаются с разной скоростью, что заставляет черную медную окись отслаиваться.

 

Через некоторое время начали отваливаться большие куски медной окиси.

Приложение 6. Готовая солнечная батарея, изготовленная в домашних условиях

Приложение 7. Прибор в комнате

   

Приложение 8. Прибор на солнечном свету

   

Приложение 9. Схема электрической цепи, по которой создана модель автомобиля, работающего на альтернативном источнике энергии

 

Условные обозначения

Символ

Название элемента

 

Солнечная батарея

 

Диод

 

Стабилизатор

 

Ключ

 

Аккумулятор

 

Двигатель

 

USB

Приложение 10. Игрушечный автомобиль, работающий на альтернативном источнике энергии

 

Просмотров работы: 73