XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Энергетика будущего. Альтернативные портативные источники энергии.
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Научно-технический прогресс невозможен без развития энергетики. Для повышения производительности труда первостепенное значение имеет механизация и автоматизация производственных процессов, замена человеческого труда машинным. Человечеству электроэнергия нужна, причем потребности в ней увеличиваются с каждым годом. Вместе с тем запасы традиционных природных топлив (нефти, угля, газа и др.) конечны. Поэтому важно на сегодняшний день найти выгодные источники электроэнергии, причем выгодные не только с точки зрения дешевизны топлива, но и с точки зрения простоты конструкций, дешевизны материалов, долговечности станций.
Энергия.
Материалы, вещи, животные, люди и все, что имеется в природе и Вселенной нуждается в энергии для изменения состояния, движения, роста и перемещения. Никакая деятельность невозможна без энергии. Откуда берется энергия, как ее получают и как используют.
Можно ли производить энергию?
Человек не может производить энергию, он только может изменить ее. Ни животные, ни машины — никто и ничто не в состоянии создать или уничтожить энергию Вселенной, хоть ее можно изменить или использовать. Вода, ветер, Солнце обладают огромными запасами энергии, но все эти запасы не были, использованы, если бы человек не превратил их в полезную энергию.
Может ли преобразовываться в другой вид энергия?
Движение, как и любая иная энергия, может трансформироваться в другую энергию. Так, например, на электростанциях движение генератора производит электрическую энергию, и аналогично динамо велосипеда получает электрическую энергию благодаря движению педалей. Когда мы тащим волоком тяжелую вещь между полом и нею возникает энергия, называемая трением, преобразующая часть движения в тепло. Так, например, когда точат нож или, когда колеса поезда при торможении едут, не вращаясь, по рельсам, образуется тепло, если тереть два предмета один о другой или ударять друг о друга камни. В таких случаях появляется искры, несущие с собой световую энергию.
Движение, таким образом, может трансформироваться в электричество, тепло и т.д. Все эти проявления является видами энергии.
Основные способы получения энергии в наше время
Ядерная или атомная энергия.
Ядерная или атомная энергия является внутренней энергией, имеющейся во всей материи и происходящей от энергии, которую накопила Земля за время своего формирования. В некоторых веществах этой энергии недостаточно или ее трудно использовать, тогда как из других ее легко получать. как, например, из урана. Уран входит в состав некоторых руд и горных пород. Он образован из очень тяжелых атомов, чье ядро или центральная часть разрывается при получении соответствующего «воздействия». Это разделение называется ядерным расщеплением. Процесс расщепления освобождает огромнейшие количество энергии и приходит в камере, называемой ядерным реактором. Энергия, образующаяся в результате расщепления, используется для образования водяного пара, и тот, направленный определенным образом, приводит в движение турбину, которая в свою очередь заставляет вращаться генератор, где вырабатывается ток. [18, c.3]
Энергия Солнца.
Солнце - источник энергии очень большой мощности. 22 дня солнечного сияния по суммарной мощности, приходящей на Землю равны всем запасам органического топлива на Земле. Проблема в том, как использовать солнечную энергию в производственных и бытовых целях. Свет и тепло, поступает к нам от Солнца, делают жизнь возможной и приятной, но тело непостоянно и зависит от времени суток. времени года и географического положения. Для получения тепла в любое время необходимо преобразовать солнечную энергию. Например, для получения теплой воды менее 70 градусов для обогрева и домашних нужд используется простое приспособление, состоящее из ряда пластин или панелей, покрытых материалом, способным поглощать тепло, и закрыть стеклом. Эти пластины, направленные на Солнце, хорошо нагреваются, и их тепло передается потоку воды, циркулирующему внутри них. Теплая вода поступает в изолированный резервуар, чтобы при необходимости можно было ею пользоваться. Если же требуется получить более высокую температуру, используют приспособление с зеркалами, концентрирующими солнечную энергию в одной точке, что позволяет поднять температуру до 4000 градусов. Эту систему используют в промышленности.
[16, с.55]
Энергия ветра.
Кинетическая энергия ветра используется для выработки электрической энергии с помощью аппаратов, называемых аэрогенераторами. Аэрогенераторы состоят в основном из трех элементов: пропеллера, или ротора, ладьи и башни. Схема действия следующая: ветер приводит в движение лопасти пропеллера, и это движение передается на вал и затем на генератор, производящий электроэнергию. Использование ветряной энергии не наносит вреда окружающей среде, но установка аэрогенераторов требует большой площади, и они в значительной степени портят пейзаж. [17, c. 3]
Энергия воды.
Море является источникам энергии, но ее очень трудно извлекать. В некоторых очень древних производствах применяли технику, использовавшую энергию приливов и отливов на ограниченных площадях. В настоящее время эту энергию используют для выработки электричества, но с недостаточной эффективностью. Для использования приливов и отливов в устье реки строят дамбу с целью создания искусственного озера. Когда море поднимается, озеро наполняется, а когда опускается, оно осушается. Поток воды в озерах и из него используется для приведения в движения генераторного механизма, производящего электричество. [18, c. 2]
Геотермальная энергия.
Говоря просто, геотермальная энергия—это энергия внутренних, областей Земли. Извержение вулканов наглядно свидетельствует об огромном жаре внутри планеты. Ученые оценивают температуру ядра Земли в тысячи градусов Цельсия. Эта температура постепенно снижается от горячего внутреннего ядра, где как полагают, металлы и породы могут существовать только в расплавленном состоянии до поверхности Земли. ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ - теплоэлектростанция, преобразующая внутреннее тепло Земли (энергию горячих пароводяных источников) в электрическую энергию. В России 1 -я геотермальная электростанция мощностью 5 МВт пущена в 1 966 на Камчатке; к 1 980 ее мощность доведена до 11 МВт. [1, c. 1]
Энергия и окружающая среда.
Тепловые электростанции сжижают природное топливо для выработки электроэнергии. И уголь, и нефть при сгорании выделяют двуокись углерода и водяной пар. А они, в свою очередь, скапливаются в низких слоях атмосферы. Двуокись углерода «захватывает» тепло, исходящее от земли, создавая так называемый парниковый эффект — процесс, вызывающий потепление климата планеты.
Атомные станции не выделяют вредных газов, но оставляют огромное количество радиоактивных отходов, которые трудно уничтожить и хранить.
Гидроэлектростанции, ветреные и солнечные станции не загрязняют окружающую среду, но их огромное оборудование портят пейзаж. В случае с аэрогенераторами, использующими ветряную энергию, следует рассмотреть еще одну форму загрязнения — акустическую, поскольку движение пропеллера производит очень сильный шум.
Охрана природы.
Охрана природы - задача нашего века, проблема, ставшая социальной. Снова и снова мы слышим об опасности грозящей окружающей среде, но до сих пор многие из нас считают их неприятным, но неизбежным порождением цивилизации и полагают, что мы ещё успеем справиться со всеми выявившимися затруднениями. Однако воздействие человека на окружающую среду приняло угрожающие масштабы. Чтобы в корне улучшить положение, понадобятся целенаправленные и продуманные действия. Ответственная и действенная политика по отношению к окружающей среде будет возможна лишь в том случае, если мы накопим надёжные данные о современном состоянии среды, обоснованные знания о взаимодействии важных экологических факторов, если разработает новые методы уменьшения и предотвращения вреда, наносимого Природе Человеком.
Всякое загрязнение вызывает у природы защитную реакцию, направленную на её нейтрализацию. Эта способность природы долгое время эксплуатировалась человеком бездумно и хищнически. Отходы производства выбрасывались в воздух в расчете на то, что будут обезврежены и переработаны самой природой. Однако способность атмосферы к самоочищению имеет определенные границы.
Уже через несколько лет мы все рискуем оказаться в незнакомом и пугающем мире…
Мы решили поучаствовать в решении проблемы поиска энергоэффективных источников сами и создать пробную модель альтернативного портативного источника энергии.
Актуальность: На сегодня основные проблемы энергетики связаны с возрастающим ростом народонаселения Земли, дефицитом энергии и ограниченностью топливных ресурсов, увеличивающимся загрязнением окружающей среды. Современное энергосбережение более чем на 80% базируется на не возобновляемых источниках энергии.
Цель: создание«банка идей» для экологически безопасной и высоко - эффективной энергетики будущего, создание новых альтернативных портативных источников электрической энергии.
Задачи исследования:
1. Изучить и систематизировать материалы из разных источников (научные статьи, периодическая печать, Интернет), касающиеся альтернативных источников энергии, изучить вопрос их возможного применения, выделить из них наиболее перспективные для энергетики будущего.
2. Оценить степень энергопотребности современного населения.
3. Создать альтернативные портатипные устройства – источник электрической энергии.
Методы исследования:
изучение литературы, посвященной проблеме исследования;
теоретический анализ предмета и проблемы исследования на основе изучение различных источников (научные статьи, периодическая печать, Интернет);
моделирование – создание «банка идей» для экологически безопасной и высокоэффективной энергетики будущего.
Основная часть
Альтернативные источники энергии
Cахар может быть превосходным топливом
Засыпать сахар в бак автомобиля старая и далеко не безобидная шутка, которая может привести к поломке двигателя. Но сахар может быть превосходным топливом для вашего авто. Специалисты Виргинского института работают над выработкой из сахара водорода, использование которого возможно в качестве чистого и недорогого топлива, которое не выделяет токсичных веществ и запаха. Ученые растворяют сахар в воде с тринадцатью мощными ферментами в реакторе, который вырабатывает из смеси водород.
Водород улавливается и закачивается в батарею, чтобы произвести энергию. В результате чего образуется в 3 раза больше водорода, чем традиционными методами, что влияет на стоимость технологии.
К сожалению, перед тем как потребители смогут заправлять автомобили сахаром, то пройдет еще десяток лет. Ближайшей перспективе наиболее реалистичным будет конструирование батарей на сахаре для ноутбуков, мобильных телефонов и иной электротехники. Эти батареи будут работать продолжительнее и надежнее сегодняшних аналогов. [5, c. 1]
Энергия из водорослей
В последнее время появилось много восхищенных отзывов о еще одном новом альтернативном источнике энергии – водорослях, – которые преобразуют солнечный свет в энергию с помощью фотосинтеза, и наряду с наземными растениями могут быть использованы так же, как и другие запасы биотоплива, например, кукуруза.
Но в отличие от кукурузного, соевого или пальмового масла использование водорослей для создания биотоплива не влияет на наши глобальные продовольственные программы и не требует больших участков земли и удобрений. В итоге получается примерно в 15 раз больше выхода этанола с одного акра территории. Американская компания «Algenol» уже строит завод совместно с мексиканской «Biofields», способный генерировать до 15 млрд. галлонов этанола в год, используя водоросли.
Водоросли также имеют ряд других потенциальных применений: калифорнийская компания «SapphireEnergy» утверждает, что они могут изготовить двигатель, который будет работать прямо на биотопливе из водорослей. Город Венеция также объявила о своих планах построить электростанцию, которая будет генерировать электроэнергию для половины домовладений города из водорослей.
Энергия солнечного ветра
Энергия, больше в 100 миллиардов раз, чем в настоящее время потребляет человечество всей планеты, находятся в прямом смысле под рукой. Это энергия солнечного ветра – потока заряженных частиц, которые испускает Солнце. Брук Хэрроп, физик из Вашингтонского государственного университета в Пуллман и физик Дирк Шульце-Макух из Вашингтонского государственного института исследования окружающей среды и природных ресурсов полагают, что эти частицы можно захватить с помощью спутника, который вращается вокруг Солнца по орбите Земли.
Согласно этому проекту, спутник, будет иметь медный провод, который заряжается от батареи, находящаяся здесь же, чтобы создать магнитное поле, которое подхватит электроны из этого ветра. Энергия электронов будет передаваться отсюда на Землю с помощью инфракрасного лазера, и на него не будет влиять атмосфера Земли.
В реализации данного проекта существуют и препятствия. Для начала, нужно решить вопрос, о защите спутника от космического мусора. Во-вторых, атмосфера Земли может поглотить немного энергии, которая передаётся с огромного расстояния. И нацеливание инфракрасного луча в выбранное место — это не простая задача.
Эта разработка имеет перспективы для обеспечения энергией космических аппаратов. [8, c.2]
ДЖОУЛИ ИЗ ТУРНИКЕТОВ
Тысячи людей каждый день проходят через турникеты при входе на железнодорожные станции. Сразу в нескольких исследовательских центрах мира появилась идея использовать поток людей в качестве инновационного генератора энергии. Японская компания EastJapanRailwayCompany решила оснастить каждый турникет на железнодорожных станциях генераторами. Установка работает на вокзале в токийском районе Сибуя: в пол под турникетами встроены пьезоэлементы, которые производят электричество от давления и вибрации, которую они получают, когда люди наступают на них.
Другая технология «энерго-турникетов» уже используется в Китае и в Нидерландах. В этих странах инженеры решили использовать не эффект нажатия на пьезоэлементы, а эффект толкания ручек турникета или дверей-турникетов. Концепция голландской компании BoonEdam предполагает замену стандартных дверец при входе в торговые центры (которые обычно работают по системе фотоэлемента и сами начинают крутиться) на двери, которые посетитель должен толкать и таким образом производить электроэнергию.
В голландском центре NatuurcafeLaPort такие двери-генераторы уже появились. Каждая из них производит около 4600 киловатт-час энергии в год, что на первый взгляд может показаться незначительным, но служит неплохим примером альтернативной технологии по выработке электричества.[11, c.1]
БИОТОПЛИВО
Биотопливо– альтернатива бензину. Биотопливо является альтернативным источником энергии, которая получается вследствие переработки органического сырья или отходов. Этот вид топлива может быть в твёрдом, жидком или газообразном состоянии. В качестве твёрдого биотоплива используется дерево, брикеты и пеллеты из её отходов древесины или сельхозпродукции (лузга подсолнечника и гречихи, ореховая скорлупа и т.д.). Данное топливо используют для выработки тепловой и электрической энергии на ТЭС.
Жидкое биотопливо получают путём переработки растительной массы определённых сельскохозяйственных культур и их отходов (солома) и используют в основном в качестве горючего для автомобилей. К этому виду экотоплива можно отнести: биоэтанол; биометанол; биобутанол; биодизель; диметиловый эфир. Газообразное экотопливо бывает трёх видов: биогаз, биоводород и метан. Его получают посредством брожения биологической массы. Сырьё подвергается воздействию особых бактерий, которые разлагают биомассу, и вследствие этого вырабатывается газ.[15]
Методика создания установки портатипного источника электроэнергии.
Приборы и материалы:
Элемент Пельтье TEC1-12706 (термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока);
Преобразователь DC-DC MT3608 повышающий;
Сотовый телефон;
Аллюминиевая кружка (плотность = 2700 кг/м3; удельная теплоемкость = 897 Дж/кг·K);
Спиртовка.
Эксперимент 1.
В алюминиевый стакан налили холодной воды из-под крана и стали нагревать на спиртовке. С противоположных сторон фиксируем провода – это «+» и «-». Из-за разницы температур возникает электрический ток.
Подавая напряжение с одной стороны становится тепло, с другой холодно, если же одну сторону нагревать, а другую охлаждать, то можно получить напряжение, достаточное для зарядки телефона и не только..
Результаты:
|
Температура воды, о С |
Температура окружающего воздуха, о С |
|
|
На начало эксперимента |
8 |
20 |
|
Через 5 мин |
100 |
20 |
Наличие тока проверили с помощью мультиметра.
Установка генерирует электрический ток. За 35 минут телефон зарядился на 1%.
Установка с использованием усилителя заметно быстрее заряжает телефон.
Мы получили напряжение, используя открытый огонь (спиртовку, можно использовать свечу), а есть вариант положить лед, или налить теплую/холодную воду и получать электричество. Это вариант мы тоже попробовали.
Эксперимент 2.
Приборы и материалы:
Кофейная чашка
Элемент Пельтье TEC1-12706
Преобразователь DC-DC MT3608 повышающий
Сотовый телефон
С помощью кофейной чашки, элемента Пельтье мы смогли зарядить телефон. Любой такой элемент, если нагревать одну его сторону и охлаждать другую, будет вырабатывать электричество. Чтобы сделать градиент температур (разность температур) мы использовали кофейную чашку (с горячим кофе) и блюдце, которое было холодным. Проверили, какое напряжение может вырабатывать элемент Пельтье, если мы поместить его в заданные нами условия. К примеру, между столом (прохладным) и ладонью (достаточно теплой) - вырабатывается 0,04 В, чего недостаточно, чтобы начать заряжать телефон. Чтобы повысить напряжение мы использовали повышающий преобразователь. Если соединить все элементы, налить в чашку горячий кофе, расположить элемент Пельтье между чашкой и блюдцем (присоединив усилитель) - телефон начал заряжаться.
Заключение
Выводы:
1. Изучили и систематизировали материалы из разных источников (научные статьи, периодическая печать, Интернет), касающиеся альтернативных источников энергии. Изучили вопросы их возможного применения, выделили из них наиболее перспективные для энергетики будущего.
2. Оценили степень энергопотребности современного населения по результатам анкетирования.
3. Создали альтернативное портативное экологически чистое устройство – источник электрической энергии.
Изучив все возможные альтернативные пути получения энергии, мы нашли, на наш взгляд, самый экологически чистый и доступный вариант синтеза электричества.
Во время проведения работы мы обнаружили потенциальные возможности для создания и других вариантов получения автономных электрогенераторов, над которыми будет вестись работа в дальнейшем.
Список литературы:
1. Реферат, про энергию https://knowledge.allbest.ru/physics/2c0b65625a2bc79b5d53b89521316c27_0.html#text
2. Более чем достаточно. Оптимистический взгляд на будущее энергетики мира / П од ред. Р. Кларка: Пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 215 с.
3. Бурдаков В.П. Электроэнергия из космоса. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 152 с.
4. Вершинский Н. В. Энергия океана. – М.: Наука, 1986. – 152 с.
5. Малоизвестные источники энергии https://sites.google.com/site/alternativnyeistocnikiegergii/opros/maloizvestnye.
6. Источники энергии. Факты, проблемы, решения. – М.: Наука и техника, 1997. – 110 с.
7. Кононов Ю. Д. Энергетика и экономика. Проблемы перехода к новым источникам энергии. – М.: Наука, 1981. – 190 с.
8. Альтернативные источники энергии https://www.13min.ru/nauka/alternativnye-istochniki-energii/
9. Нетрадиционные источники энергии. – М.: Знание, 1982. – 120 с/
10. Подгорный А. Н. Водородная энергетика. – М.: Наука, 1988. – 96 с.
11. Большая энциклопедия http://badtea4er.ru/neft/alternativnoe-ispolzovanie-nefti.html
12. Шейдлин А. Е. Новая энергетика. – М.: Наука, 1987. – 463 с.
13. Энергетические ресурсы мира / П од ред. П. С. Непорожнего, В.И. Попкова. – М.: Энергоатомиздат, 1995. – 232 с.
14. Ю. Тёльдеши, Ю. Лесны. Мир ищет энергию. – М.: Мир, 1981. – 440 с.
15. Биотопливо https://alter220.ru/bio/biotoplivo.html
16. А. С. Степановских Экология. Учебник для вузовМ.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. - 703 с.
17. Cайт энерго-дом. https://energo.house/veter/preobrazovanie-ehnergii.html
18. Энергия и окружающая среда. http://www.hintfox.com/article/energija-i-okryzhajuschaja-sreda.html