XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Человек и альтернативные источники энергии (на примере создания действующей модели геотермального источника энергии – гейзера).
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В современном высокотехнологичном мире, в котором большими темпами развивается промышленность, растет численность населения и города, человечеству для жизнеобеспечения требуется все больше и больше энергии. А проблема исчерпания природных ресурсов (нефть, газ, уголь) и ухудшения экологии Земли сегодня является одной из самых актуальных.
Я полагаю, что использование природных источников энергии и решение экологических проблем на Земле связаны между собой. Думающий человек не пойдет в лес рубить дерево, чтобы отапливать им дом. Современный человек найдет способ преобразования альтернативных неисчерпаемых источников энергии (ветер, вода, Солнце, приливы и отливы) в другие виды энергии. В проекте я рассматриваю один из не очень распространенных источников природной энергии – тепловую энергию гейзера и предлагаю способ ее преобразования в электрическую.
Думаю, что это актуально по нескольким позициям:
1. использование альтернативной энергии снимает острый вопрос охраны окружающей среды (если брать во внимание углеродосодержащее топливо, то оно является исчерпаемым и загрязняет окружающую среду),
2. энергия гейзера является бесплатным источником природной энергии, имеет только один минус: не везде на Земле встречается.
Тема «Электричество» меня всегда интересовала: еще в первом классе я выполнил проект «Его величество – электричество». На этот раз я решил изучить вопрос использования геотермального источника как альтернативного источника энергии и выяснить, насколько получение энергии гейзера и преобразование ее в электрическую безопасно и эффективно для человека.
Цель проекта: создать действующую модель геотермального источника энергии, который демонстрирует преобразование тепловой энергии Земли в электрическую.
Для достижения цели мною были поставлены задачи:
изучить классификацию источников энергии;
познакомиться с существующей геотермальной энергетикой в мире и в России; изучить принцип получения электрической энергии из геотермальной;
разработать и создать действующую модель геотермального источника – гейзера как альтернативного источника энергии;
рассмотреть положительные и отрицательные стороны геотермальной энергии, а также способы преобразования ее в электрическую для использования человеком.
Благодаря контент-анализу я выяснил, что геотермальная энергетика основана на использовании тепловой энергии недр Земли для производства электрической энергии на геотермальных электростанциях, или непосредственно, для отопления и горячего водоснабжения. Кроме того, геотермальные источники – мощный источник электрической энергии (пар, выделяемый во время извержений гейзеров, используется для вращение турбин электростанций). В связи с дешевизной данного вида энергии она приобретает огромную популярность в местах, где возможно ее использование.
Мною определены объект исследования: альтернативные источники энергии, и предмет исследования – тепловая энергия гейзеров.
Основная часть
1. Классификация источников энергии
Для получения энергии люди используют природные ресурсы разных видов: электричество в своих домах, которое преобразовывается путем сжигания угля, ядерной реакции или строительством ГЭС на реке.
Таким образом, источником энергии называются «встречающиеся в природе вещества и процессы, которые позволяют человеку получить необходимую для существования энергию» [1]. На рисунке 1 представлены преобразователи различных видов энергии: атомной, тепловой, энергии ветра, энергии воды.
Рис.1 Использование различных видов энергии: тепловая, атомная, энергия ветра, воды.
Изучив литературу по данному вопросу, я выяснил, что источники энергии делятся на две группы: невозобновляемые и возобновляемые. Так как невозобновляемые источники энергии имеют свойство когда-то закончиться, все большую актуальность приобретает вопрос альтернативной энергетики, т.е. поиск и использование альтернативных (нетрадиционных) источников энергии.
Альтернативный источник энергии является возобновляемым ресурсом, потому что заменяет собой традиционные источники энергии, функционирующие на нефти, добываемом природном газе и угле, которые при сгорании выделяют в атмосферу углекислый газ, способствующий росту парникового эффекта и глобальному потеплению. Большая часть ресурсов, потребляемых в настоящее время из невозобновляемых источников это: нефтепродукты, углеводородный сжиженный газ, природный газ, уголь, ядерная энергия.
Причина поиска альтернативных источников энергии – потребность получать её из энергии возобновляемых или практически неисчерпаемых природных ресурсов и явлений. При этом становятся актуальными вопросы экологичности и экономичности таких источников.
К возобновляемым альтернативным источникам энергии относятся: ветряные, которые преобразуют в энергию движение воздушных масс; геотермальные: преобразуют тепловую энергию планеты в любые другие, например, в электрическую; солнечные: преобразуют электромагнитное излучение солнца в тепловую, электрическую энергию; гидроэнергетические: энергию движения воды в реках или морях преобразовывают в электрическую; биотопливные: теплоту сгорания возобновляемого топлива, (например, спирта).
Из вышеперечисленных альтернативных источников энергии меня больше всего заинтересовал вопрос использования энергии геотермальных источников, несмотря на то, что на Среднем Урале таких тепловых источников в недрах Земли не так и уж много. Но они есть! Поэтому надо с пользой тратить дарованное природой!
2. Использование геотермальных источников
Информация из Википедии говорит нам о том, что «Геотермальная энергетика– направление энергетики, основанное на использовании тепловой энергии недр Земли для производства электрической энергии на геотермальных электростанциях, или непосредственно, для отопления или горячего водоснабжения» [2]. Хозяйственное применение геотермальных источников распространено в Исландии и Новой Зеландии, Италии и Франции, Литве, Мексике, Никарагуа, Коста-Рике, Филиппинах, Индонезии, Китае, Японии, Кении и Таджикистане.
Подземное тепло, выделяемое геотермальными источниками активно используется в сельском хозяйстве: ведется строительство больших тепличных комплексов на прогретой гейзерами территории, можно создать геотермальную систему отопления домов, подогревать водоемы. Интересный факт: Рейкъявик (столица Исландии) полностью обогревается теплом термальных вод. Кроме того, геотермальные источники – мощный источник электрической энергии (пар, выделяемый во время извержений гейзеров, используется для вращение турбин электростанций). В связи с дешевизной данного вида энергии она приобретает огромную популярность в местах, где возможно ее использование.
3. Геотермальные электростанции в мире
Проведя контент-анализ по вопросу получения электроэнергии из геотермальных источников, я выяснил, что практическое использование тепла Земли ученых стало волновать еще в начале 20 века. Первый геотермальный электрогенератор запущен 4 июля 1904 года в Италии, его мощности хватило для питания 4 лампочек. Он представлен на рисунке 2.
Рис.2 Первый термальный электрогенератор
Сегодня геотермальную энергию используют 24 страны мира. Общая мощность всех геотермальных электростанций составила в 2010 году 10710 МВт, к 2015 году эта цифра составляет 18500 МВт. Горячих источников внутри земли достаточно для обеспечения электроэнергией всего мира. Но только часть этой энергии может рентабельно использоваться человеком, в основном используются источники на разломах тектонических плит. Таких мест много в США, на Филиппинах, Индонезии. Именно поэтому эти страны являются лидерами в производстве геотермальной энергии.
Крупнейшим производителем геотермальной электроэнергии являются США, там функционирует 77 геотермальных электростанции. Самое значительно место в энергетике страны занимает геотермальная энергетика в Исландии и составляет 30% (Рис. 3), также на Филиппинах – 27% (Рис. 4).
Рис.3 Несьявеллир ГеоТЭС Исландия Рис. 4 Геотермальная станция на Филиппинах
4. Геотермальные электростанции в России
Я выяснил, что и у нас, в России развивается геотермальная энергетика. На Камчатке в Кроноцком государственном биосферном заповеднике расположена Долина гейзеров – одно из наиболее крупных гейзерных полей мира. Долина представляет собой глубокий каньон реки Гейзерной, в бортах которого на площади около 6 км² находятся многочисленные выходы гейзеров, горячих источников, грязевые котлы, термальные площадки, водопады и озера.
Сегодня в Камчатском крае эксплуатируются три геотермальные электростанции общей мощностью 74 МВт: Мутновская ГеоЭС, Верхне-Мутновская ГеоЭС, Паужетская ГеоЭС. В 2018 году они выработали 427 млн кВТ ч электроэнергии. Паужетская ГеоЭС– первая геотермальная электростанция России, введена в эксплуатацию в 1966 году. Установленная мощность станции – 12 МВт, располагаемая мощность ограничена количеством поставляемого пара и составляет 5,8-6,0 МВт, ежегодная выработка электроэнергии составляет около 42 млн кВт·ч. Кроме того, ранее работали, а теперь выведены из эксплуатации одна геотермальная станция на Камчатке и две в Сахалинской области. Имеются оценки ученых, согласно которым потенциал геотермальной энергии в России значительно превышает запасы органического топлива практически в10-15 раз! Наиболее доступный к освоению геотермальный потенциал сосредоточен на Камчатке и Курильских островах. Значительные объемы геотермальных ресурсов находятся на Северном Кавказе, Ставропольском и Краснодарском краях. В Калининградской области имеется геотермальное месторождение с температурой теплоносителя 105-120°С, потенциально пригодное для использования в электроэнергетике.
В нашем Уральском регионе нет крупных гейзеров, только геотермальные источники, используемые для отдыха, например, горячие источники в соседней Тюменской области. Но даже такие малые источники тепла можно использовать по назначению: получать электрическую энергию и освещать территорию термальных водоемов энергосберегающими лампами.
Конечно же, Камчатка от нас далеко и наблюдать, как функционируют геотермальные электростанции, нет возможности. Поэтому я решил сам создать действующую модель гейзерной электростанции, которая демонстрирует способ получения электрической энергии из геотермальной.
5. Принцип работы геотермальных станций
Ниже я рассмотрел принцип действия геотермальной электростанции, которая похожа на паротурбинную тепловую электростанцию. В качестве источника тепла выступает земное ядро. Нагретый пар приводит в действие паровую турбину генератора, который производит электроэнергию. Затем остывший пар превращается в конденсированную воду и снова возвращается в скважину для нового цикла нагрева (Рис. 5).
Рис. 5. Схема геотермальной электростанции на сухом паре
6. Создание действующей модели гейзерной станции для обеспечения электрической энергией небольшого микрорайона
Проанализировав изученный материал, я собрал модель гейзерной станции, которая позволяет продемонстрировать в лабораторных условиях способ получения электрической энергии из энергии гейзера. Энергия пара, который выходит из гейзера (в моем случае – парогенератора с сухим льдом, имитирующего пар из гейзера), преобразуется в электрическую с помощью электрогенератора. Полученную электроэнергию использую для освещения домов в микрорайоне, построенном у источника, а избыток электроэнергии накапливается в аккумуляторах. Ниже я представил описание основных видов проектных работ по созданию действующей модели гейзерной станции для обеспечения электрической энергией небольшого микрорайона.
Вид работ 1. Изготовление площадки для макета
Для площадки макета взял лист фанеры (Рис. 6), покрыл его лаком и укрыл ковровым покрытием, имитирующем газон (Рис. 7).
Рис. 6. Лист фанеры Рис. 7. Площадка макета
Вид работ 2. Изготовление модели гейзера
В углу площадки разместил гейзер – пластиковый контейнер (Рис. 8),
Рис. 8. Контейнер для гейзера Рис. 9. Пластиковые трубки
К нему подвел резиновые прозрачные трубки (Рис. 9), по которым будет идти пар в турбину. Закрепил трубки с помощью клея-пистолета. Отверстия в контейнере под трубки проплавил горячим гвоздем (Рис. 10), вставил их в отверстия и промазал герметиком. Трубки для пара закрепил к площадке макета хомутами (Рис. 11).
Рис. 10. Отверстия под трубки Рис. 11 Крепление: герметик и хомуты
Рис. 12. Контейнер для гейзера, облепленный глиной
Изначально гейзер был вылеплен из глины (Рис. 12). Но после трех суток глина высохла и потрескалась. Отказавшись от этой идеи, решил использовать для оформления гейзера пеноплекс (Рис. 13). Вырезал в нем отверстия, вставил туда контейнер (Рис. 14), покрасил серой краской и обклеил натуральным мхом с помощью клея ПВА (Рис. 15,16).
Рис. 13. Вырезаем пеноплекс Рис. 14. Гейзер из пеноплекса
Рис.15 Приклеиваем мох Рис. 16 Гейзер
Для получения пара взял сухой лед, который активно парит при добавлении горячей воды. Для первого эксперимента мы приобрели готовый сухой лед, но уже на следующее утро, оставленный вечером в морозилке, сухой лед испарился. Как оказалось, температура хранения сухого льда минус 70 градусов Цельсия и даже в герметичном контейнере срок его хранения недолговечен. Такой метод проб и ошибок привел к тому, что появилась необходимость приобрести углекислотный огнетушитель, чтобы самостоятельно получать сухой лед тогда, когда в нем есть необходимость.
Надев на воронку огнетушителя тканевый мешок, выполняя технику безопасности (для защиты рук надел перчатки (Рис. 17)), получил необходимое количество сухого льда, регулируя его числом нажатий (Рис. 18). Опытным путем определил, что для получения необходимого и достаточного количества сухого льда нужно держать огнетушитель в рабочем состоянии 10 секунд.
Рис. 17 Углекислотный огнетушитель Рис. 18 Сухой лед
Вид работ 3. Изготовление турбины
Турбину (Рис. 19), лопасти которой раскручивает пар, сделал из пластиковой банки, в дно которой вставил вентилятор (Рис.20), он имитирует лопасти турбины. В крышку банки вмонтировал моторчик (Рис.21), который при вращении лопасти турбины преобразовывает энергию пара в механическую энергию. Трубки с паром из гейзера вставил в турбину.
Рис. 19 Турбина Рис. 20 Лопасти – вентилятор
Рис. 21 Моторчик в турбине Рис. 22 Трубки из гейзера в турбину
Вид работ 4. Изготовление генератора
Генератор сделал из банки от мыльных пузырей, обмотав изолентой, провел в нее провода, подключенные к основной цепи (Рис. 23). Штифт моторчика от турбины входит в генератор, благодаря чему механическая энергия преобразовывается в электрическую (Рис. 24).
Рис. 23 Генератор Рис. 24 Генератор - турбина
Вид работ 5. Изготовление столбов электропередачи
Электричество, получаемое от электрогенератора, подвел по проводам к столбам линий электропередачи. Столбы линий электропередачи собрал из металлического конструктора (Рис. 25), прикрутил к площадке макета (Рис. 26) и разместил между домами (Рис. 27, 28).
Рис. 25 Металлический конструктор Рис. 26 Крепеж столбов
Рис.27 Линия электропередачи Рис. 28 Столбы между домами
Вид работ 6. Изготовление зданий
Здания простроил из пластмассового конструктора (Рис. 29), установил в них светодиоды с катодами для освещения (Рис. 30), и вывел провода к столбам электропередачи.
Рис. 29 Здание с освещением Рис. 30 Светодиоды, катоды
Вид работ 7. Монтаж элементов питания
Соединил все провода, подведенные к объектам, в одну цепь (Рис. 31). Питание цепи (функционирование макета) обеспечивает блок питания на 12 В (Рис. 32) из 8 батареек по 1,5 В, он выведен под макет (Рис. 33). Сверху установлена кнопка включения/ выключения (Рис. 34).
Рис. 31 Пайка Рис. 32 Блок питания
Рис. 33 Установка блока питания Рис. 34 Кнопка вкл/ выкл
Действующая модель гейзерной электростанции, позволяющая продемонстрировать использование тепловой энергии гейзера как альтернативного источника энергии, а также использование полученной электроэнергии для освещения домов поселка и нужд населения (Рис. 35, 36), собрана.
Рис. 35 Общий вид макета Рис. 36 Вид сверху макета
7. Испытания работоспособности модели
Для испытаний работы действующего макета проводим следующие работы:
Получаем свежий сухой лед и наполняем им гейзер (Рис. 37, 38, 39)
Рис. 37 Получаем сухой лед Рис. 38 Высыпаем сухой лед в емкость
Рис. 39 Наполняем гейзер сухим льдом
Добавляем горячей воды из термоса в гейзер (Рис. 40, 41)
Рис. 40 Заливаем горячую воду Рис. 41 Закрываем крышку гейзера
Включаем блок питания и наблюдаем, как пар из гейзера движется по трубкам в турбину (Рис. 42), крутятся лопасти вентилятора, вращающийся штифт моторчика заходит в электрогенератор, и во всех зданиях горит свет (Рис. 43).
Рис. 42 Пар из гейзера заходит по трубкам в турбину Рис. 43 В зданиях горит свет
Таким образом, я разработал и собрал действующую модель альтернативного источника, которая наглядно показывает преобразование электрической энергии из геотермальной. Для ознакомления моих одноклассников с работой гейзерной станции и демонстрации преобразования тепловой энергии гейзера в электрическую, я принес действующую модель гейзерной станции на урок моделирования физических процессов и продемонстрировал ее работу.
Я считаю, что было полезно поделиться с ребятами сведениями, полученными мною в ходе работы над проектом. После моей презентации некоторые одноклассники заинтересовались вопросом получения электроэнергии из альтернативных источников и теперь знают, что такая проблема в мире существует. А нам, пятиклассникам, под силу ее решить. Хотя бы в части моделирования процессов, происходящих в природе. И бережно относиться к использованию энергии.
Заключение
Подводя итоги работы, можно сделать выводы о том, что цели и задачи, поставленные в начале работы, выполнены. Мною рассмотрены вопросы истории и современное развитие геотермальной энергетики в мире и в России, изучены способы получения электрической энергии из альтернативного теплового источника Земли – гейзера. Мною самостоятельно создана действующая модель геотермальной электростанции, которая работает за счет энергии Земли – энергии гейзера для обеспечения электричеством небольшого микрорайона. Представленная модель является обучающей, так как позволяет понять физические законы и закономерности. В магазине такую точно не купить. Я не только сам смог разобраться в сложных процессах и механизмах, но и своими выступлениями перед сверстниками призываю беречь природу, использовать альтернативные и экологически чистые виды энергии. В перспективе в своих следующих проектах я планирую изучить и другие альтернативные источники энергии для получения электричества.
При выполнении проекта я:
1. Рассмотрел преимущества природной теплоэнергетики, которая: а). нe зaвиcит oт иcкoпaeмых pecypcoв; б). иcпoльзyeтcя как aбcoлютнo бecплaтный иcтoчник энepгии; в). экoлoгичecки абсолютно безопасна; г). может быть преобразована в электрическую там, где есть мощные природные гейзеры и куда невозможно доставить электроэнергию (удаленные районы), а также определил влияние этого вида энергии на человека.
2. Изучил принцип работы гейзерной электростанции, описал алгоритм создания действующей модели и создал ее.
3. Исследовал эффективность действующей модели. Выяснил, что преобразование энергии гейзера в электрическую безопасно и эффективно для человека.
4. Мною выполнен социальный заказ: создана действующая модель, которая используется для демонстрации физических явлений на уроках физики в разных ученических аудиториях, снят видеоролик о работе действующей модели гейзерной станции.
5. В перспективе ставлю задачу произвести расчеты эффективности добычи и использования геотермальной энергии (на примере действующей модели гейзерной станции, определив ее мощность и кпд).
Я считаю, что представленная модель позволяет понять физические законы и закономерности. В магазине такую точно не купить. Я не только сам смог разобраться в сложных процессах и механизмах, но и своими выступлениями перед сверстниками призываю беречь природу, использовать альтернативные и экологически чистые виды энергии. Поэтому инвестиции в свое образование, а также моих одноклассников считаю достаточно важными!
Библиографический список
https://altenergiya.ru/termal/vidy-istochnikov-geotermalnoj-energii.html
https://beelead.com/vidy-istochnikov-energii/
https://vashurok.ru/questions/vozmozhnost-ispolzovanie-geyzerov-chelovekom
https://ru.wikipedia.org/wiki/Альтернативная_энергетика
https://ru.wikipedia.org/wiki/Геотермальная_энергетика_России
https://ru.wikipedia.org/wiki/Геотермальная_энергетика
https://ru.wikipedia.org/wiki/Долина_гейзеров
https://ru.wikipedia.org/wiki/Список_геотермальных_источников