XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Альтернативные источники энергии
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Современная жизнь невозможна без освещения, автомобилей, оборудования, цифровой и другой техники, в их основу заложен единый ресурс – электроэнергия.
На нашем дачном участке мы часто сталкиваемся с проблемой внепланового отключения электричества. На время отключения электричества невозможно пользоваться ни садовыми, ни бытовыми электроприборами. За час - два ничего неприятного не случится, но бывает так, что электричества нет и двенадцать часов. Сразу становится некомфортно: без света, без горячей пищи, да и еда в холодильнике может испортиться за такой большой промежуток времени. Что же делать?!
Оказывается, помимо традиционной электроэнергетики, в которой электроэнергию вырабатывают в результате преобразования тепловой энергии при сжигании органического топлива (угля, нефти, газа), за счёт преобразования энергии потока воды в электрическую энергию, а так же за счёт преобразования в электрическую атомной (ядерной), существует такое понятие, как альтернативная электроэнергетика (нетрадиционная энергетика), где невосполнимые энергоресурсы не тратятся – это ветроэнергетика, гидроэнергетика, солнечная энергетика. Самым интересным является тот факт, что, используя некоторые виды нетрадиционной энергетики, люди научились самостоятельно, с помощью покупки необходимого оборудования, обеспечивать себя электроэнергией и не зависеть от работы энергетических компаний, а также от аварий на линиях электропередачи.
Объект исследования – возобновляемые источники энергии.
Гипотеза - при помощи элементарных доступных устройств и природных источников можно получить электрическую энергию.
Цель работы – изучить принцип получения энергии от альтернативных источников энергии – энергии ветра и энергии солнца
Для достижения цели требуется решить следующие задачи:
определить понятие «альтернативная энергетика»;
рассмотреть существующие виды альтернативных источников энергии;
путём эксперимента получить энергию одним или несколькими доступными способами;
сделать вывод о доступности исследуемых способов выработки электроэнергии от альтернативных источников.
Методы исследования: изучение теоретических основ темы исследования с помощью учебных материалов и научных статей из интернет источников, проведение эксперимента, анализ полученных данных, вывод о проведённом эксперименте.
Основная часть. Ветровая и солнечная энергетика
Альтернативная энергетика и её направления
Альтернативная энергетика — энергетика, основанная на использовании возобновляемых источников энергии (ВИЭ) — энергии ветра, солнечного излучения, приливов и тепла Земли [1].
Поскольку ВИЭ не только возобновляемы, но также экологичны и безопасны, некоторые развитые страны мира взяли курс на ускоренное развитие альтернативной энергетики.
Не все альтернативные источники энергии одинаково доступны и выгодны. Например, геотермальную энергию, вырабатываемую за счёт энергии, содержащейся в недрах земли, можно получать преимущественно в вулканических районах, поэтому реальную экономически реализуемую альтернативу сжиганию топлива сегодня могут составить только ветер и солнечная радиация [2].
В своей работе я остановлюсь на двух, доступных для исследования в быту направлениях – на ветровой энергетике и солнечной.
1.2 Ветровая энергетика
Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Постоянно и повсюду на земле дуют ветры - от легкого ветерка, несущего желанную прохладу в летний зной, до могучих ураганов, приносящих неисчислимый урон и разрушения.
Еще в Древнем Египте за три с половиной тысячи лет до нашей эры применялись ветровые двигатели для подъема воды и размола зерна [4]. За пятьдесят с лишним веков ветряные мельницы почти не изменили свой облик (Приложение А, фотография I).
Техника XX века открыла совершенно новые возможности для ветроэнергетики, задача которой стала другой - получение электроэнергии. В начале века Н. Е. Жуковский разработал теорию ветродвигателя, на основе которой могли быть созданы высокопроизводительные установки, способные получать энергию от самого слабого ветерка [5]. Появилось множество проектов ветроагрегатов, несравненно более совершенных, чем старые ветряные мельницы (Приложение А, фотография II).
В наши дни к созданию конструкций ветроколеса - сердца любой ветроэнергетической установки - привлекаются специалисты-самолетостроители, умеющие выбрать наиболее целесообразный профиль лопасти, исследовать его в аэродинамической трубе. Усилиями ученых и инженеров созданы самые разнообразные конструкции современных ветровых установок.
В упрощенном виде принцип работы ветрогенератора можно представить следующим образом (Приложение А, рис I). Сила ветра приводит в движение лопасти, которые через специальный привод заставляют вращаться ротор. Благодаря наличию статорной обмотки, механическая энергия превращается в электрический ток. Аэродинамические особенности винтов позволяют быстро крутить турбину генератора.
Дальше сила вращения преобразуются в электричество, которое аккумулируется в батарее. Чем сильнее поток воздуха, тем быстрее крутятся лопасти, производя больше энергии. Поскольку работа ветрогенератора основана на максимальном использовании альтернативного источника энергии, одна сторона лопастей имеет закругленную форму, вторая – относительно ровная. Когда воздушный поток проходит по закругленной стороне, создается участок вакуума. Это засасывает лопасть, уводя её в сторону. При этом создается энергия, которая и заставляет раскручиваться лопасти. Во время своих поворотов винты также вращают ось, соединённую с генераторным ротором. Когда двенадцать магнитиков, закреплённых на роторе, вращаются в статоре, создаётся переменный электрический ток, имеющий такую же частоту, как и в обычных комнатных розетках. Это основной принцип того, как работает ветрогенератор. Переменный ток легко вырабатывать и передавать на большие расстояния, но невозможно аккумулировать. Для этого его нужно преобразовать в постоянный ток. Такую работу выполняет электронная цепь внутри турбины. Чтобы получить большое количество электроэнергии, изготавливаются промышленные установки. Ветровой парк обычно состоит из нескольких десятков установок. Благодаря использованию такого устройства дома, можно получить существенное снижение расходов на электроэнергию.
Если поток воздуха движется со скоростью 45 км/час, турбина вырабатывает 400 Вт электроэнергии. Этого хватает для освещения дачного участка [6]. Данную мощность можно накапливать, собирая её в аккумуляторе.
Специальное устройство управляет зарядкой аккумуляторной батареи. По мере уменьшения заряда вращение лопастей замедляется. При полной разрядке батареи лопасти снова начинают вращаться. Таким способом зарядка поддерживается на определённом уровне. Чем сильнее воздушный поток, тем больше электроэнергии может произвести турбина.
1.3 Солнечная энергетика
Потенциал солнечной энергии огромен - поверхность Земли облучается 120 тыс. тераваттами солнечного света, а это в 20 тыс. раз превышает общемировую потребность в ней.
По данным NASA еще порядка 6.5 млрд. лет жителям Земли не о чем беспокоиться - приблизительно столько Солнце будет согревать нашу планету своими лучами до тех пор, пока не взорвется [7].
Солнечные фотоэлектрические панели созданы на основе высокой, но удивительно простой технологии, которая преобразует солнечный свет непосредственно в электричество.
В 1839 году французский ученый Эдмонд Беккерель обнаружил, что некоторые материалы будут испускать искры электричества при ударе с солнечным светом [8]. Исследователи обнаружили, что в ближайшее время это свойство, называемое фотоэлектрический эффект, может быть использовано; первая фотоэлектрическая ячейка изготовлена была из селена в конце 1800-х годов. В 1950 году ученые в Bell Labs пересматривали технологии и, используя кремний, произведенный в фотоэлементы, смогли преобразовать энергию солнечного света непосредственно в электричество.
Солнечные панели состоят из фотоэлектрических ячеек, запакованных в общую рамку (Приложение Б, фотография III). Каждая из них сделана из полупроводникового материала, например, кремния, который чаще всего используется в солнечных батареях [3].
Когда лучи падают на полупроводник, тот нагревается, частично поглощая их энергию. Приток энергии высвобождает электроны внутри полупроводника. К фотоэлементу прилагается электрическое поле, которое направляет свободные электроны, заставляя их двигаться в определенном направлении. Этот поток электронов и образует электрический ток (Приложение Б, рис II).
Если приложить металлические контакты к верху и к низу фотоэлемента, можно направить полученный ток по проводам и использовать его для работы различных устройств. Сила тока вместе с напряжением ячейки определяют мощность электроэнергии, производимой фотоэлементом.
Практическая часть. Самостоятельная добычи природной энергии
Для демонстрации практической части (самостоятельной добычи природной энергии) я решил провести два эксперимента – с силой ветра и с силой света. Опишу каждый эксперимент подробно с фотоматериалами.
Эксперимент 1. Получение энергии от силы ветра
Для реализации эксперимента, демонстрирующего силу ветра, были взяты электромагнитный мотор, лопасти компьютерного кулера, светодиод и металлическая мачта высотой 1 метр.
К выходу мотора был присоединён светодиод. На вал мотора были прикреплены лопасти. На конец мачты был смонтирован мотор с лопастями и светодиодом (Приложение В, фотография IV).
Задача: порыв ветра должен раскрутить лопасти до такой силы, чтобы на выходе мотора тёк ток достаточной силы, чтобы зажечь светодиод.
Эксперимент было спланировано провести в природных условиях, а именно провести попытку уловить ветер в поле. При естественном порыве ветра лопасти раскручивались сильно, но недостаточно для того, чтобы загорелся светодиод. Сказалась очевидная ошибка принципиальной демонстрации выработки ветряной энергии – несоответствие размера лопастей и мощности мотора.
Для достижения результата было принято решение провести эксперимент в домашних условиях с использованием искусственной генерации ветра. Для генерации был использован бытовой фен. На этот раз результат проведения эксперимента был положительным и показан Приложении В на фотографии V.
Под действием достаточной силы ветра светодиод светился. Возможность использования силы ветра принципиально доказана.
Эксперимент 2. Получение энергии от солнца
Я не стал «останавливаться на силе ветра», так как мне известны и другие природные способы выработки электроэнергии, такие как энергия солнца и энергия воды. Продемонстрировать энергию воды в живую не представилось возможным из-за препятствующих факторов, таких как – отсутствие гидрогенератора, большая удалённость от ближайших безопасных мест для проведения опыта.
Но у меня есть набор мини солнечных панелей, одной из которых как раз хватило для проведения эксперимента с солнцем. Забегая вперёд, скажу, что панели называются солнечными во-первых, потому что они, принимая солнечный свет – фотоны, преобразуют его в электричество, во-вторых, солнце излучает несравнимо (с любым бытовым (искусственным) излучателем) большее количество фотонов. Поэтому их и называют эталоном фотонного излучения – солнечными.
Нужно сказать, что фотоны – частицы света, излучает не только солнце. Любой источник света: комнатная, уличная лампа, автомобильные фары, экраны смартфонов, мониторы, огонь и даже электронные часы являются излучателями фотонов. Это значит, что и они могут являться генераторами световой энергии. Но с солнцем не сравнится ни один источник.
Итак, я переподключил светодиод к солнечной панели, соблюдая полярность, получилась модель солнечной батареи (Приложение В, фотография VI) и выехал на природу, чтобы прохождению фотонов к панели не препятствовали тени от близлежащих зданий.
На небе не было туч. Солнце было ярким. Первая же попытка была успешной (Приложение В, фотография VII).
И хотя визуально светодиод светился ярко, фотокамера из-за физических свойств не смогла передать явное свечение в дневное время. Я решил повторить опыт, как и в случае с силой ветра, в домашних, искусственных условиях.
Для его реализации я использовал обычный домашний фонарик, который явился аналогом солнечного излучения. (Приложение В, фотография VIII).
Фотография VIII наглядно демонстрирует, что для добычи электроэнергии можно использовать силу фотонов даже обычного бытового фонарика, но сильнейшей и эффективно обоснованной всё же является солнце.
Заключение
Изучив литературу и интернет-источники по теме работы, я выяснил, что:
Не стоит думать, что о поисках альтернативных источников энергии для обеспечения своей жизнедеятельности человечество начало задумываться совсем недавно, после того, как стало понятно, что природные запасы углеводородов не такие уж безмерные. На самом деле первые энтузиасты уже высказывали такие предположения более двухсот лет назад.
Основным преимуществом использования таких источников в производстве энергии является то, что они возобновляемы, то есть устойчивы и теоретически никогда не закончатся.
Несмотря на экологичность, ВИЭ имеют недостатки: сильная зависимость от природных условий (энергия ветра, солнца) и от географического расположения зоны источников (геотермальная энергия и энергия приливов и отливов).
В результате проведённых экспериментов я выяснил, что:
Продемонстрировать принцип работы ветрогенератора и солнечной батареи можно, используя доступные и недорогие материалы.
Мощность ветрогенератора зависит от площади, заметаемой лопастями генератора.
Использование ветрогенератора имеет экономический смысл только в местности, где часто дуют сильные ветры.
В ходе проведённых экспериментов, удалось создать модель ветрогенератора и солнечной батареи.
Таким образом, поставленные цели были достигнуты, а предложенная гипотеза о возможности получения электрической энергии при помощи элементарных доступных устройств и природных источников оказалась верной.
Говоря о будущем развитии энергетики, стоит упомянуть, что с каждым новым десятилетием открываются огромные перспективы для развития отрасли альтернативной энергетики, которые связаны со снижением стоимости оборудования и повышением мощности, используемых установок [9]. Всё чаще можно встретить в источниках информацию об использовании ВИО в частных хозяйствах.
Список литературы
Денисов В.В. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии : учеб. пособие / В. В. Денисов. - Ростов н/Д : Феникс, 2015. - 382 с.
Баранов Н. Н. Нетрадиционные источники и методы преобразования энергии : учеб. пособие для вузов / Н. Н. Баранов. - М. : ИД МЭИ, 2012. - 384 с.
Кашкаров А.П. Ветрогенераторы, солнечные батареи и другие полезные конструкции / А.П. Кашкаров – М.: ДМК Пресс, 2011-144 с.
Ветрогенератор. – URL: http://www.powerinfo.ru/wind-generator.php/ (дата обращения: 05.09.2020).
Ветровая энергия. – URL: http://www.apxu.ru/article/nontradit/wind/vetrovaa_energia.html/(дата обращения: 05.09.2020).
Система торможения вращения лопостей. – URL: https://studopedia.net/3_53527_sistema-tormozheniya-vrashcheniya-lopastey.html/ (дата обращения: 05.09.2020).
Преимущества и недостатки солнечной энергии. – URL: https://solarelectro.ru/articles/preimuschestva-i-nedostatki-solnechnoj-energii/ (дата обращения: 09.09.2020).
Солнечная энергия – огромный, неисчерпаемый и чистый. – URL: https://habr.com/company/ua-hosting/blog/393007/(дата обращения: 09.09.2020).
Школа для электрика. – URL: http://electricalschool.info/energy/1545-razvitie-solnechnojj-jenergetiki-v-mire.html/(дата обращения: 12.09.2020).
Приложение А
Фотография I - Ветряная мельница
Фотография II - Ветряные мельницы (современный облик)
Приложение А
Рис I - Схема работы ветрогенератора: показан принцип преобразования энергии ветра и действия внутренних механизмов
Приложение Б
Фотография III - Применение солнечных батарей в быту
Рис II - Принцип действия фотоэлектрических ячеек
Приложение В
Фотография IV - Применение солнечных батарей в быту
Фотография V - Результат эксперимента с силой ветра
П риложение В
Фотография VI - Модель солнечной батареи
Фотография VII - Результат эксперимента с силой света в естественных условиях
Приложение В
Фотография VIII - Результат эксперимента с силой света в искусственных условиях