В поисках энергии. Городской шум.

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Щёголев И.А. 1

---

1МАОУ "Лицей №97 г.Челябинска"

Кошман Е.А. 1

---

1МАОУ «Лицей № 97 г. Челябинска»

Работа в формате PDF

1.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

В мире нас окружает множество источников энергии. Самый доступный источник для нас - это энергия, получаемая от электростанций, работающих на органическом топливе. Энергия дает нам электричество и тепло в дома, освещает улицы, обеспечивает комфортную жизнь. Но проблема состоит в том, что потребление энергии для освещения инфраструктуры городов постоянно увеличивается, создавая дополнительную нагрузку на электростанции, что приводит к ухудшению экологической ситуации. Но существует множество альтернативных видов энергии, которые мы не умеем эффективно применять на практике. Подготовив школьный доклад по экологии, я увидел важность перехода на альтернативные источники энергии. Мне стало интересно разобраться в вопросе использования безопасных для окружающей среды источников энергии, которые можно применить в жизни современного города.

Тема работы актуальна, так как в настоящее время вопрос экологии стоит остро, а изучение альтернативных способов добычи энергии позволит человеку избежать негативных экологических последствий. Открытие и разработка новых источников получения электрической энергии способствует развитию технологического прогресса в мире. Я предположил, что смогу в домашних условиях создать альтернативный источник энергии.

Цель работы: Создать модель устройства, которое преобразует энергию колебания воздуха в электрическую энергию.

Задачи:

Изучить виды источников энергии, современные способы её получения.

В домашних условиях создать модель устройства, которое преобразует энергию колебания воздуха в электрическую энергию. Изучить принцип его работы.

Рассмотреть практические варианты применения такого устройства.

Основная часть «Энергия в жизни человека».

Энергия. Виды источников энергии

Слово «энергия» в переводе с греческого языка означает «действие», «деятельность», «сила», «мощь». Примерно 2400 лет назад это слово ввёл в свой трактат «Физика» великий древнегреческий философ Аристотель. Однако там оно обозначало деятельность лишь человека. В современном смысле этого слова первым его стал употреблять в 1807 г. Томас Юнг. Природа дает нам различные виды энергии. И вся эта энергия, так или иначе, работает на человека [2]. Энергия — физическая величина, которая показывает, какое количество работы может совершить тело (или несколько тел). Мерой измерения энергии является единица – джоуль[1]. По-другому Энергией называют способность кого-либо или чего-либо совершать некоторое возможное для него количество работы. Чем больше энергии, тем большую работу можно выполнить.

В современном мире принято классифицировать энергию по формам, в которых она поступает на службу человеку. При этом количество энергии – величина постоянная. Выделяют основные виды энергии: химическая, лучистая (энергия света), тепловая, гравитационная, кинетическая, электрическая, ядерная. Существует 2 типа энергии: 1. Потенциальная (например, любое тело на земле, даже находясь в покое, обладает потенциальной энергией, источником которой является земная гравитация); 2. кинетическая (энергия, получаемая в результате любого вида движения). Энергия может быть: первичной (непосредственно исходящей от источника, например, солнечный свет, тепло); вторичной (возникающей в процессе преобразования первичной энергии, например, электрическая).

Изучив литературу, я выяснил, что существует несколько видов источников энергии: 1. Возобновляемые; 2. Не возобновляемые. К возобновляемым источникам принято относить: Солнце, воздух (ветер), воду, гравитацию, геотермальные источники (вулканы, гейзеры и др.), биосферу планеты (как источник биологической массы растений). С не возобновляемыми источниками дело обстоит совсем иначе. Их истощение в процессе эксплуатации людьми происходит на наших глазах. Основные их виды: дерево, уголь, нефть, газ, химические элементы, являющиеся источником радиоактивного излучения.

На сегодня, для комфортной жизни современного человека в городе постоянно растет потребность в электрической энергии. Как следствие электростанции которые окружают наши города работают на полную мощность, сжигая и выбрасывая в атмосферу вредные вещества – продукты от сгорания угля, газа и других не возобновляемых источников энергии. Тем самым, производя больше загрязнение окружающей среды.

С другой стороны электроэнергия - это ключ к будущему совершенству нашего мира. Потому что именно электроэнергия в сочетании с возобновляемыми ее источниками проложит путь к чистой планете и обеспечит технологическое развитие мира в условиях чистой окружающей среды.

Электроэнергия, как самый перспективный источник энергии.

Электричество - это упорядоченное движение положительно заряженных частиц. Результат этого физического явления мы наблюдаем практически повсюду в современном мире. Свет от лампы, кипение воды в электрическом чайнике, светящийся экран смартфона – все это результат движения заряженных частиц. Человек получает электричество различными путями: из аккумуляторных батарей, либо из электростанций. В свою очередь, электрическая энергия - широко распространенный термин, используемый для определения количества энергии, которую отдает электростанция в электрическую сеть или получаемой из электросети потребителем. Мерой измерения энергии является единица - кВт.ч киловатт\час [4].

Электрическая энергия сегодня почти единственный вид энергии, которым человек научился управлять безопасно для окружающей среды, не считая источника ее получения. Электроэнергия почти невидима (кроме молнии, различных электрических разрядов в проводах), она не имеет запаха, формы, объема, цвета.

Сама по себе электроэнергия совершенно безвредна для окружающей среды. Это такое уникальное природное явление, физический процесс который протекает внутри материала, и после совершения работы каким либо электрическим устройством, электроэнергия по команде человека перестает течь, и не оставляет совершенно никаких следов. Многие современные компании по производству техники стараются в своих технических новинках снизить потребляемость энергии. Это, несомненно, правильное направление по снижению использования электричества. Но с каждым годом объем потребления электро-технических устройств увеличивается, и проблема продолжает оставаться критической.

Современные способы получения электроэнергии.

Получение электроэнергии на тепловых электростанциях. Данный способ получения электроэнергии является самым распространенным. Так, например, в Российской Федерации на долю тепловых источников приходится почти 80 % всей выработки необходимого ресурса. Тепловые источники относятся к традиционным способам получения электроэнергии. И вот уже на протяжении трех или четырех десятков лет занимают лидирующую позицию в рейтинге по объемам выработки. И это несмотря на бурное развитие альтернативных способов получения электроэнергии.

Гидроэлектростанции – перспективный способ получения электроэнергии Строительство сложных инженерных сооружений, предназначенных для преобразования энергии воды в электричество, было начато еще в Российской Империи. С тех пор прошло много лет, а данный источник по-прежнему активно используется. К недостаткам данной технологии можно отнести большую стоимость таких объектов и очень длительные сроки их окупаемости. Основные затраты приходятся на строительство плотины. А ведь необходимо возвести само здание (административный и машинный корпуса), построить приспособление для сброса воды и так далее.

Атомная энергетика. Атомной электростанцией сегодня уже никого не удивить. Такие объекты активно стали возводиться еще в СССР. Поэтому эта технология относится к традиционным способам получения электроэнергии. Атомные станции и в настоящее время активно возводятся не только в России, но и в странах ближнего и дальнего зарубежья.

Энергия ветра. Ветровая электроэнергетика в промышленных масштабах возникла относительно недавно и пополнила перечень нетрадиционных способов получения электроэнергии. И это очень перспективная технология. С большой долей вероятности можно утверждать, что в отдаленном будущем ветряки будут вырабатывать столько электроэнергии, сколько необходимо человечеству. Основной проблемой является непостоянство потоков воздуха, что влечет за собой сложности в прогнозировании выработки энергии. На огромной по площади территории России постоянно дуют ветры. И если научиться эффективно и результативно пользоваться этим неисчерпаемым ресурсом, то можно с лихвой удовлетворить все потребности тяжелой промышленности и населения страны.

Геотермальная энергетика. Освоение геотермальных источников ознаменовало новую веху в истории развития альтернативных способов получения электроэнергии. Принцип выработки электроэнергии заключается в поступлении кинетической и потенциальной энергии пара горячей воды подземного источника в лопасти турбины генератора, которая посредством вращательных движений производит ток. Горячая вода из недр земли поступает на поверхность. Давление здесь значительно ниже, что приводит к закипанию воды. Отделяющийся пар направляется по трубопроводу и вращает лопасти турбин генератора.

Солнечная энергия. Все природные топливные ископаемые были образованы миллионы лет назад с участием и под воздействием солнечных лучей. Таким образом, можно сказать, что человечество давно и активно пользуется продуктами, получаемыми от солнца. Однако под современной солнечной энергетикой понимается не это. Относительно недавно ученые смогли разработать и произвести специальные батареи. Они вырабатывают электричество при попадании на их поверхность солнечных лучей. Данная технология относится к альтернативному способу получения электроэнергии. Солнце, пожалуй, является самым мощным источником из всех ныне известных. За три дня планета Земля получает столько энергии, сколько не содержится во всех разведанных и потенциальных месторождениях всех видов тепловых ресурсов. Однако поверхности земной коры достигает лишь 1/3 этой энергии, а большая часть рассеивается в атмосфере. И все же речь идет о колоссальных объемах. По подсчетам специалистов, один небольшой водоем получает столько энергии, сколько вырабатывает довольно крупная тепловая электростанция [5].

Практическая часть «Автономная генерация электроэнергии и возможности её применения»

Создание альтернативного источника энергии. Теория и практика преобразования звука в электроэнергию.

В мире есть множество разных идей, о том, как получить безопасную электроэнергию. В нашем городе нет достаточно солнечного света, отсутствует большая река для строительства гидроэлектростанции, а энергия ветра не постоянна. Многие безопасные способы получения электроэнергии из возобновляемых источников, не доступны ввиду особенного географического расположения нашего города, поэтому мне пришла мысль о том, что для освещения городских дорог, работы светофоров и зарядки электромобилей мы могли бы преобразовывать шум городской среды в электрическую энергию.

Изучив информацию я пришел к выводу, что шум городской среды не обладает достаточной механической энергией для его преобразования в электрическую. Гораздо большей энергией обладает воздушная среда, наполненная городским транспортом, Городской транспорт в движении создает постоянные колебания воздуха. Мой город – это промышленный регион, и как следствие имеет высокую транспортную загрузку. Ежедневно огромное количество машин проезжают по широким улицам и проспектам моего города, создавая огромное количество шума и колебаний воздуха. Я предположил, что вибрацию воздуха можно использовать, как движущую силу и направить ее в специальное устройство, которое будет преобразовывать эту вибрацию в электрическую энергию. Такое устройство я и решил собрать.

В сети Интернет я нашёл видеоматериал, где автор в домашних условиях создавал устройство, преобразовывающее механическую энергию колебания воздуха в электрическую [7]. Я выяснил, что в основе этого опыта лежит природное явление электромагнитного поля и течения электричества через металлический проводник.Приложение А. Я подробно изучил строение данного устройства, внес коррективы и усовершенствовал его (расположил диффузор вертикально, для чего установил его на сверхэластичные резиновые подвесы). Для реализации моего проекта я выбрал вариант с неподвижным постоянным магнитом и легкой проволочной обмоткой. Также подобрал список необходимых деталей и материалов Приложение Б. В основе конструкции лежит легкая пластина – диффузор (Приложение В рис.1), соединенный с основанием (платформой) генератора, через подвесы Приложение В рис.2 выполненные из высоко пластичной резины. С обратной стороны диффузора расположена катушка Приложение В рис.3 с тонкой проволокой. Катушка частично погружена в «магнитный стакан» Приложение В рис.4 . Сложность построения модели генератора обусловлена тем, что колебание воздуха имеет в себе малую энергию, поэтому для ее преобразования требуется высоко чувствительные и легкие конструктивные элементы, которые способны улавливать малейшие изменения воздушной среды. На фотографии (приложение Г) показан общий вид устройства после его сборки и принцип его работы.

Мы имитировали воздушный поток при помощи лёгкого опахала. Этот воздушный поток мы направили на диффузор. После того как волна воздуха доходила до диффузора, она заставляла его двигаться в направлении воздушного потока. При этом диффузор перемещал и прикреплённую к нему катушку с проводом вдоль магнитного поля металлического стакана. Далее, когда мах заканчивался, и воздушная волна спадала, резиновые эластичные повесы заставляли диффузор двигаться в обратном направлении и диффузор занимал свое первоначальное положение, ожидая новой воздушной волны.

Вывод: результат эксперимента оказался положительным. Светодиод загорелся, а значит. в цепи обмотки катушки появился электрический ток. (видеоматериал по работе устройства можно посмотреть, перейдя по ссылке [8]).

2.2 Возможности применения устройства в городской инфраструктуре.

Сегодня, современные энергосберегающие технологии позволяют нам встраивать солнечные батареи в различные инфраструктурные объекты наших городов. Я обратил внимание, что на дорогах некоторые пешеходные переходы оснащены осветительными элементами, которые получает электроэнергию от интегрированных солнечных батарей.

Предлагаемый мной альтернативный источник энергии может использоваться в следующих сферах жизни (Приложение Д):

Автономное освещение городской инфраструктуры в условиях шумного города.

В регулировке уличного движения (в работе светофоров).

Создание автономных зарядных станций для электромобилей.

Я считаю, что возможности применения моего устройства не ограничены инфраструктурой города. Уверен, что принцип работы этого устройства найдет свое применение в различных технологических сферах: на заводах (при постоянной работе шумного оборудования), на взлетно-посадочных полосах аэропортов, вдоль железнодорожных путей.

Заключение

В настоящее время, проблема внедрения альтернативных возобновляемых источников энергии стоит особенно остро, т.к. загрязнение окружающей среды от вредных выбросов сжигаемого топлива электростанций, нарушает естественный природный баланс нашей планеты. По мере развития технологий нам необходимо все больше энергии. Для этого ученые и инженеры всего мира ищут новые и безопасные способы ее производства.

В своей работе я рассмотрел возможность разработки технологических устройств, позволяющих получать необходимую нам электрическую энергию из возобновляемого источника. По результатам проделанной работы можно сделать следующие выводы:

Наряду с традиционными источниками, существуют различные альтернативные способы получения электроэнергии.

В домашних условиях мне удалось смоделировать устройство, преобразующее энергию колебания воздуха в электрическую энергию.

Предлагаемый мной альтернативный источник энергии может использоваться в следующих сферах жизни человека: освещение дорог, работа светофоров, зарядка электромобилей.

Таким образом, цель работы достигнута. Гипотеза нашла своё подтверждение: мне удалось преобразовать энергию колебания воздуха в электрическую энергию.

Литература

Большой Энциклопедический словарь

Т.П.Кравец, М.Фарадей и его «Экспериментальные исследования по электричеству» (733)

https://ru.wikipedia.org/wiki/Джоуль

https://resh.edu.ru/subject/lesson/7579/conspect/256277/

https://econrj.ru/stati/solnechnie-jelektrostancii-i-vsjo-s-nimi-svjazannoe/vidi-istochnikov-jenergii-i-ih-vlijanie-na-okruzhajushhuju-sredu.html

https://fb.ru/article/445554/traditsionnyie-i-alternativnyie-sposobyi-polucheniya-elektroenergii

https://m.youtube.com/watch?v=MC0GMhPuFuw

Видеоматериал по работе устройства https://cloud.mail.ru/public/uB4L/gpyw41A19

Приложение А

Приведу историческую справку для дальнейшего понимания сути моего устройства.29 августа 1831 английский физик-экспериментатор и химик Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. По-другому, он обнаружил, что во время введения и удаления магнита из катушки с проводом появляется индукционный ток (Индукционный ток — электрический ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции, пронизывающего этот контур) [6].

Благодаря открытию Фарадея, появилась возможность создавать электрогенераторы для получения электроэнергии, без которой сегодня не мыслима современная цивилизация.

Таким образом Майкл Фарадей установил, что электрическую энергию можно получить перемещая постоянный магнит в проволочной катушке (обмотке), либо перемещая обмотку в магнитном поле неподвижного постоянного магнита.

Для перемещения магнита или проводника, с целью получения электрического тока, можно использовать различные источники энергии, например энергию потока воды, ветра, пара или энергию колебания воздушной среды.

Приложение Б

Материалы, необходимые для создания модели альтернативного устройства

Приложение В

Составные части устройства

Приложение Г

Общий вид устройства после сборки.

Принцип работы устройства

При появлении колебания воздуха диффузор начинает поглощать механическую энергию воздушной волны, при этом он продвигает катушку с проводником вглубь, так называемого «магнитного стакана», по - другому в глубь магнитного поля. Во время перемещения катушки в проводнике зарождается индукционный ток, который направляется через диодный мост к нагрузочному элементу, далее выполняется полезная работа, в виде свечения от светодиода.

Видеоматериал по работе устройства https://cloud.mail.ru/public/uB4L/gpyw41A19

Приложение Д