XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Возобновляемые источники энергии
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Однажды на уроке окружающего мира Елена Владимировна рассказала нам об экологии и о том, что наша природа находится в опасности! О том, что люди с давних пор вмешиваются в жизнь природы. Всё больше загрязняются воздух, вода. Оказывается, что энергия, без которой не может существовать человек, вырабатывается из ископаемого топлива (нефти, природного газа, угля …). Она рассказала нам о том, что ресурсы нашей планеты находятся на грани истощения и что в скором будущем запас ископаемого топлива закончится. Как же так, неужели в скором будущем мы останемся без света и тепла, да еще и на грязной планете? Неужели энергию нельзя добывать по-другому и без вреда для природы? Дома я поделился своими переживаниями с папой, и он мне рассказал, что, оказывается, существуют возобновляемые источники энергии, такие как энергия солнца, ветра и воды. Меня это очень заинтересовало, и я решил узнать, что это за возобновляемые источники энергии.
Для того чтобы выяснить, что ребята слышали об возобновляемых источниках энергии мы вместе с учителем провели опрос среди учащихся моего класса посредством анкетирования.
В опросе приняли участие 23 учащихся 4А класса. Результаты анкетирования представлены в виде диаграммы. Им были заданы следующие вопросы:
Варианты ответов:
1. да
2. нет
3. не знаю
1. Вы, когда либо, слышали про традиционные источники энергии? Если да, то какие?
1. 1
2. 22
3. 0
2 . Вы, когда либо, слышали про возобновляемые источники энергии?
1. 3
2. 20
3. 0
3 . Вы знаете, какие либо возобновляемые источники энергии?
1. 3
2. 20
3. 0
4 . Есть ли у нас в Башкирии возобновляемые источники энергии?
1. 10
2. 1
3. 12
5 . Как вы думаете, есть ли какой либо вред от возобновляемых источников энергии?
1. 11
2. 8
3. 4
Результаты анкетирования показывают: практически никто ничего не знает о том, что такое возобновляемые источники энергии, и я задумался над вопросом: что такое возобновляемые источники энергии, какие виды возобновляемых источников бывают, используют ли у нас в Башкирии такие источники, так ли они безопасны для окружающей среды? И выбрал тему «Возобновляемые источники энергии».
Актуальность выбранной темы в том, что главные на сегодня наши источники энергии уголь, нефть и природный газ в ближайшем будущем закончатся. Кроме того, добыча и сжигание ископаемых видов топлива для добычи энергии наносит существенный вред земной экологии. Поскольку существование человечества зависит от энергии, мы должны использовать такие ее источники, ресурсы которых были бы неограниченными и безопасными для нашей планеты.
Цель: узнать, какие возобновляемые источники энергии существуют, получить энергию в домашних условиях используя возобновляемые источники энергии.
Для достижения поставленной цели я поставил перед собой следующие задачи:
1. Изучить материал по данной теме (интернет ресурсы, литература).
2. Узнать, какие виды возобновляемых источников энергии существуют.
3. Узнать, есть ли вред для окружающей среды от возобновляемых источников.
4. Узнать, какие виды возобновляемых источников используют у нас в Башкирии.
5. Рассчитать какие виды возобновляемых источников подходят для нашего лицея, сколько их нужно и как быстро они окупятся.
6. Получить энергию, в домашних условиях, используя природные возобновляемые источники.
7. Рассказать одноклассникам про возобновляемые источники энергии.
8. Провести повторный опрос.
9. Сравнить полученные результаты.
Объект исследования: возобновляемые источники энергии
Предмет исследования: применение человеком энергии солнца, воды и ветра.
Гипотеза исследования: предполагаю возможность применения силы потока воды, силу ветра и энергию солнца для получения электроэнергии.
Срок реализации: сентябрь - декабрь
Методы исследования:
1. Изучение литературы и интернет ресурсов.
2. Проведение опроса среди одноклассников.
3. Сравнить результаты анкетирования.
Теоретическая значимость исследования заключается в том, что теперь ребята моего класса узнали о существовании возобновляемых источников энергии. Результаты моей работы могут быть использованы на классных часах.
Практическая значимость исследования заключается в том, что результаты работы могут быть использованы для дальнейших научных исследований, и на практике в качестве основы для разработки проектов внедрения альтернативных источников энергии в Башкирии.
Основная часть
1. Возобновляемые источники энергии
Использовать возобновляемые источники энергии (ВИЭ) человечество стало раньше, чем научилось добывать уголь, нефть и газ. Однако со временем потребление энергии росло и человеку современного общества требуется все больше и больше энергии, чем раньше. И поставка такого огромного количества энергии стала возможной благодаря сжиганию ископаемого топлива (рис.1). Сейчас человечество снова задумалось об использовании альтернативных источников энергии, так как запасы нефти и газа заканчиваются (рис.2), а их использование наносит большой вред окружающей среде. Существует множество альтернативных источников энергии уже открытых наукой и применяемых на практике (рис.3). Многие из них являются неисчерпаемыми. Изучим наиболее распространенные из них.
2. Виды возобновляемых источников энергии
2.1. Энергия ветра (ветроэнергетика)
На Земле практически нет места, где нет и никогда не было бы ветра. Для добычи энергии таким способом необходимо установить специальные турбины (внешне это устройство напоминает вентилятор), которые будет вращать ветер, за счет чего будет вырабатываться электричество. Ветряные турбины легко и дешево обслуживать, они не занимают много места, вращаются на высоте от 100 м, то есть, под ними можно, например, вести сельскохозяйственную деятельность (рис.4). Иногда ветроэлектростанции (ВЭС) строят прямо в море (рис.5). Такой проект в 2017 году разработали Дания, Нидерланды и Германия. Они собираются к 2050 году соорудить в море остров площадью 6 кв. км и разместить на нем турбины.
2.2. Энергия солнца
Солнечные электростанции (СЭС) могут работать по нескольким принципам. В первом случае с помощью солнечных лучей (зеркал) нагревают емкость с водой (рис. 6, 7). Например, на юге Испании солнечную энергию улавливают сотни зеркал, направляя лучи на цистерну с водой, расположенной на башне, высотой в 120 метров. Каждое зеркало может нагреть воду лишь на несколько градусов, но если установить 600 зеркал в одном месте температура поднимется до 500 градусов. Этого более чем достаточно для превращения воды в пар, который затем запускается в турбины и вращает колесо, так получается электричество. Сегодня поле солнечных батарей вырабатывает достаточно энергии для более чем 15 тысяч домов. И если увеличить количество батарей, то и число домов может достигнуть двухсот тысяч. (2) В России крупные солнечные электростанции находятся в Крыму и Якутии.
В другом случае используются солнечные батареи, которые для большего эффекта располагают на наиболее солнечной стороне с лучшим углом наклона (рис.8). Это устройство, напрямую преобразует энергию солнца в электричество с помощью специальных пластинок - фотоэлементов. Основа пластинок состоит из кремния. Когда солнечные лучи попадают на фотоэлемент, в нём начинается движение частиц, то есть возникает электрический ток. Далее через специальные дорожки электричество бежит по проводам прямо к нам в дом. Существуют так же панели, поворачивающиеся вслед за солнцем (рис.9). В природе это можно наблюдать на примере подсолнухов, которые в течение дня поворачиваются вслед за солнцем. Устанавливать фотоэлементы можно практически везде, а стоимость их с каждым годом продолжает снижаться. (5)
2.3. Энергия воды (гидроэнергетика)
Гидроэнергетика — самый распространенный способ добычи энергии из неисчерпаемого источника. Вода постоянно двигается, и двигающаяся вода обладает большим запасом энергии. Гидроэлектростанции - это электростанции, которые преобразуют падающую воду в электроэнергию. Гидроэлектростанции обычно строят на реках, сооружая плотины и водохранилища. Если реку перегородить плотиной, уровень воды в реке до плотины повысится. А если приоткрыть в плотине несколько затворов-окон, вода с силой устремится в них и мощным потоком уйдет вниз по течению (рис.10). Под высоким давлением вода поступает на лопасти турбины, которые начинают вращаться, вырабатывая при этом механическую энергию (рис.11). Механическая энергия затем передается на гидрогенератор, который и вырабатывает электроэнергию. (3) Явным преимуществом является стабильность выработки энергии и возможность ее контролировать, изменяя скорость потока воды.
3. Достоинства и недостатки возобновляемых источников энергии
Меня больше всего интересует, чего больше плюсов или минусов возобновляемых источников энергии и наносят ли они вред для окружающей среды. Изучив литературу, я узнал:
Ветроэнергетика. К достоинствам можно отнести: экологически чистый вид энергии, возобновляемая энергия, лучшее решение для труднодоступных мест. Однако у этого источника дешевой и чистой энергии есть несколько существенных недостатков — нестабильность и зависимость от места размещения. Ветер дует не везде и не всегда. А в местах, где ветер дует часто и с большой силой, как правило, не располагаются населенные пункты. (4) Это повышает расходы на строительство линий электропередач и транспортировку энергии. К тому же высокая стоимость самих установок. Также существует опасность для живой природы - вертящиеся лопасти турбины представляют потенциальную опасность для птиц. По статистике, лопасти каждой установленной турбины являются предпосылкой погибели не менее 4 птиц в год. Шумовое загрязнение - шум, производимый "ветряками", может причинять беспокойство, как животным, так и людям, живущим вблизи.
Энергия солнца. Достоинства: общедоступность и неисчерпаемость источника, полная безопасность для окружающей среды. Главными недостатками солнечных электростанций является большая зависимость от места расположения, времени суток и сезона. Например, станция не будет вырабатывать энергию ночью, значительно меньше — в зимнее время года. (4) Необходимость накопления энергии. Необходимость периодической очистки отражающей поверхности от пыли.
Гидроэнергетика. Достоинства: постоянная и стабильная выработка энергии и возможность ее контролировать, изменяя скорость потока воды.
Недостатки: резкое изменение уровня воды в искусственных водохранилищах, нарушение процесса размножения и развития рыб и снижение количества кислорода в воде, что вредит обитателям водоема. (4)
4. Какие преимущества возобновляемых источников энергии в сравнении с традиционными?
Традиционная энергетика основана на применении ископаемого топлива, запасы которого ограничены. Она зависит от его количества и от его стоимости.
Возобновляемая энергетика основана на самых разных природных ресурсах (солнце, ветер, вода и т.д.), что позволяет беречь не возобновляемые источники и использовать их в других сферах, например в науке, а также сохранить их для будущих поколений. Независимость ВИЭ от топлива обеспечивает энергетическую безопасность страны и стабильность цен на электроэнергию. ВИЭ экологично чисты: при их работе практически нет отходов, выброса загрязняющих веществ в атмосферу или водоемы. Нет выбросов вредных веществ в окружающую природу, связанные с добычей, переработкой и доставкой ископаемого топлива. В большинстве случаев ВИЭ-электростанции легко автоматизируются и могут работать без прямого участия человека. (1)
5. Какие возобновляемые источники энергии распространены в мире?
И в России, и в мире - это гидроэнергетика. Около 20% мировой выработки электроэнергии приходится на ГЭС. Этот вид энергетики обеспечивает около 19% производства электроэнергии в стране.
Активно развивается мировая ветроэнергетика: суммарные мощности ветрогенераторов удваиваются каждые четыре года, составляя более 150 000 МВт. Во многих странах ветроэнергетика занимает прочные позиции. Так, в Дании более 20% электроэнергии вырабатывается энергией ветра.
Доля солнечной энергетики относительно небольшая (около 0,1% мирового производства электроэнергии), но имеет положительную динамику роста.
6. Возобновляемые источники энергии в Башкирии
Изучая интернет-ресурсы я узнал, что Башкирия – один из немногих регионов России, имеющий все типы основных источников возобновляемой энергетики: ветроэлектростанции, солнечные электростанции, малые и микро-ГЭС.
В республике есть одна из крупнейших в европейской части страны ветроэлектростанций (ВЭС) «Тюпкильды» мощностью 1,65 мегаватта (рис.12).
В силу географического положения и климатических особенностей Башкортостан обладает одними из наиболее благоприятных условий для солнечной энергетики среди российских регионов. Количество солнечных дней в южных районах Башкортостана составляет около 260, для сравнения — в Сочи — 190, в Москве — 114. В Башкирии запущена крупнейшая в Европе солнечная электростанция. Мощность станции – 10 МВт. Станция обеспечит электричеством весь Бурзянский район и ряд окрестностей (рис.13). Накопитель мощностью 8 МВт сможет поддерживать энергоснабжение при аварийных отключениях. Еще одна электростанция большей мощности строится в Стерлибашевском районе. В январе 2015 года посёлок Северный полностью перешёл на снабжение от ветро-солнечной электростанции, таким образом, став первым в республике населённым пунктом с полностью автономным электроснабжением на основе возобновляемых источников энергии.
В республике насчитывается 13 тысяч рек протяжённостью 57 тысяч километров, шесть крупных водохранилищ и две тысячи озёр, поэтому у нас в регионе очень развита гидроэнергетика. В то же время обмеление рек, наблюдаемое в последние десятилетия, может очень плохо сказаться на этом виде возобновляемой энергетике. Самые крупные гидроэлектростанции - Павловская (рис.14) и Юмагузинская (рис.15), существуют также много мини-гидроэлектростанций.
Однако пока альтернативная энергетика в Башкирии развита плохо, потому что она зависит от погодных условий и у нее высокая стоимость получения энергии киловатт и многие станции на основе возобновляемых источников энергии являются убыточными. Стоимость электроэнергии от возобновляемых источников в Башкирии в 4 раза выше традиционной.
7. Расчетная часть
Для нашей местности выгоднее всего использовать такие возобновляемые источники энергии как энергия солнца и энергия ветра. Ветрогенератор используют как основной источник электроэнергии, если средняя скорость ветра в регионе не менее 7-9 м/с. Но у нас в Башкирии такая скорость ветра обычно с сентября по март. Именно поэтому, я считаю, что лучше всего будет, если сочетать ветрогенераторы с солнечными установками (рис.16). В период с апреля по сентябрь солнечные панели будут вырабатывать большое количество электроэнергии, а ветрогенератор в этот период будет второстепенным источником. С октября по февраль, выработка солнечных панелей снижается из-за образования туч, выпадения осадкой и сокращения светового дня. В осенне-зимний период ветер начинает преобладать в нашем регионе и тогда ветрогенерация становиться приоритетной, с точки зрения получения электроэнергии. Рассмотрим на примере нашего лицея.
Наш лицей потребляет в среднем 126 600 кВт в год. Установка 1 ветрогенератора 10кВт, который, при скорости ветра 3-4 м/с ежемесячно производит 1000-2000 кВт, а в год примерно примерно 18000 кВт стоит 650 000,00 рублей. Солнечная электростанция, которая вырабатывает с апреля по октябрь в месяц: 945 кВт*ч, а с ноября по март в месяц: 236.25 кВт*ч, а в год примерно 14 175 кВт стоит 690 000,00 рублей. Таким образом, возле школы необходимо установить 4 ветрогенератора (стоимость составит 2 600 000,00 рублей (650 000,00 рублей х 4 ветрогенератора) и 4 солнечных станции (стоимость составит 2 760 000,00 рублей (690 000,00 рублей х 4 солнечные станции). Общая стоимость оборудования 5 360 000,00 рублей. Рассчитаем время, за которое окупится ветрогенераторы с солнечными установками. При существующем на сегодняшний день тарифе на электроэнергию, который составляет 5,38 рублей за 1 киловатт наш лицей ежегодно платит примерно 681 108,00 рублей. Тогда срок окупаемости будет равен: 5 360 000,00 рублей / 681 108,00 = около 8 лет. После этого срока электроэнергия, получаемая от ветрогенераторов с солнечными установками, становится для нашего лицея бесплатной. Если энергия не использована полностью — она может быть продана.
8. Практическая часть
Дома я решил попробовать сделать источник электрической энергии, из доступных нам вышеупомянутых возобновляемых источников, своими руками.
Опыт 1. Энергия Солнца.
Цель: Преобразование солнечной энергии в электрическую с использованием солнечных элементов.
Для опыта нам понадобится: 1. Солнечная батарея - для преобразования энергии света в электрическую; 2. Соединительные провода; 3. Светодиод (лампочка) - для демонстрации полученной электроэнергии; 4. Настольная лампа - наше солнце (рис.17).
Когда свет попадает на солнечный элемент, его энергия преобразуется в энергию перетекающих электронов: ток. Солнечная батарея вырабатывает постоянный ток. Это значит, что электроны движутся в одном направлении. Берем солнечную батарею и подключаем к ней светодиод. Направляем на неё поток света нашего солнца - настольной лампы. Светодиод загорается – значит, мы смогли добыть электричество из солнечного света (рис.18, 19). Я заметил, что светодиод будет гореть, тускло, если «наше солнце» отдалять от солнечной батареи. Т.е. яркость светодиодов зависимости от того, как ярко светит солнце и от угла падения света. Это значит, что при благоприятных условиях солнечные батареи быстро и эффективно поглощают солнечную энергию и вырабатывают ток.
Вывод: Мы собрали систему преобразования солнечной энергии в электрическую, и узнали о том, как интенсивность света влияет на работу солнечной батареи.
Опыт 2. Энергия ветра.
Цель: Изучить и опытным путем продемонстрировать возможность преобразования энергии ветра в электрическую.
Для опыта нам понадобится: 1. Генератор–устройство преобразует механическую энергию (энергию ветра) в электрическую. 2. Светодиод (лампочка) - для демонстрации полученной электроэнергии 3. Лопасти для вращения ротора генератора от силы ветра 4. Крепежные элементы (рис.20).
Мы собрали макет ветрогенератора (рис.21, 22, 23), чтобы лопасти могли свободно вращаться, я поставил его в пластиковую бутыль. Для имитации ветра достаточно подуть в сторону лопастей. Под действием воздушного потока лопасти начинают вращаться, приводя в движение генератор, и светодиод, подключенный, к генератору, начинает светиться (рис.24, 25). Ветер дует, лопасти крутятся, и генератор вырабатывает ток - светодиод горит.
Вывод: Мы собрали макет ветрогенератора и на его основе изучили возможность преобразования механической энергии силы ветра в электрическую.
Заключение
Без энергии мы не мыслим своей жизни. Энергия обеспечивает нас теплом для здорового и комфортного существования, электричеством для освещения и работы электроприборов, а также топливом для транспортных средств. На протяжении долгого времени человек получал энергию из традиционных источников (нефть, газ). Так как запасы нефти и газа исчерпаемы, а их использование наносит большой вред окружающей среде, человечество задумалось об использовании возобновляемых источников энергии.
Я узнал, что существует множество возобновляемых источников энергии, самые распространенные из них это энергия ветра, солнца и воды. Преимущества в сравнении с традиционными источниками энергии очевидны – постоянно возобновляемый самой природой запас энергии, простота их использования, отсутствие загрязнения окружающей среды и, наконец, они никому не принадлежат – за них не нужно платить.
Однако в процессе исследования я узнал и об их недостатках: зависимость получения электроэнергии от погодных условий - ветер дует не всегда и не везде, солнечная электростанция не будет вырабатывать энергию ночью и значительно меньше в зимнее время года; при использовании гидроэлектростанций это резкое изменение уровня воды в искусственных водохранилищах, нарушение процесса размножения и развития рыб и снижение количества кислорода в воде, что вредит флоре и фауне водоема; они только развиваются и пока могут обеспечить нам лишь часть всей необходимой энергии; высокая стоимость получения энергии киловатта; широкому применению подобной энергии препятствуют высокая стоимость оборудования, хотя с каждым годом его стоимость снижается.
Еще я узнал, что Башкирия – один из немногих регионов России, имеющий все типы основных источников альтернативной энергетики: ветроэлектростанции, солнечные электростанции и гидроэлектростанции. В силу географического положения и климатических особенностей Башкортостан обладает одними из наиболее благоприятных условий для солнечной энергетики среди российских регионов. А еще у нас развивается гидроэнергетика, так как у нас в регионе очень много рек.
Я считаю, что какими бы огромными ни были наши запасы природных ископаемых, мы должны развивать возобновляемую энергию. К сожалению, сейчас, из-за того, что я маленький, я не могу ничего сделать для развития возобновляемых источников энергии у нас в России. Но когда вырасту, я, возможно, стану специалистом по возобновляемым источникам энергии. И я думаю, что не за горами то время, когда людей будут волновать не цены на нефть и газ, а прогноз погоды.
Я считаю, что моя гипотеза, о возможности применения силы потока воды, силы ветра и энергии солнца для получения электроэнергии подтвердилась.
На классном часе я рассказал все то, что узнал сам, показал, как работают возобновляемые источники энергии (рис.26, 27, 28) и после этого мы вместе с учителем решили провести повторный опрос и задать те же самые вопросы моим одноклассникам.
Количество опрошенных 23 учащихся 4 А класса
Результаты анкетирования представлены в виде диаграмм:
Варианты ответов:
1. да
2. нет
3. не знаю
1 . Вы, когда либо, слышали про традиционные источники энергии? Если да, то какие?
1. 18
2. 5
3. 0
В основном назвали нефть, газ и уголь.
2 . Вы, когда либо, слышали про возобновляемые источники энергии?
1. 23
2. 0
3. 0
3 . Вы знаете, какие либо возобновляемые источники энергии?
1. 23
2. 0
3. 0
Практически все назвали ветроэлектростанцию, солнечную станцию и гидроэлектростанцию.
4 . Есть ли у нас в Башкирии возобновляемые источники энергии?
1. 21
2. 0
3. 2
5 . Как вы думаете, есть ли какой либо вред от возобновляемых источников энергии?
1. 19
2. 3
3. 1
Далее мы сравнили результаты анкетирования и увидели, что теперь практически все ребята знают о том, что такое возобновляемые источники энергии, виды возобновляемых источников энергии, их преимущества и недостатки. Значит, я не зря провел столько работы по изучению возобновляемых источников энергии.
Список использованных источников и литературы
1. Наука: Ученый создал краску, которая может заменить дорогие солнечные панели https://hightech.fm/2020/09/28/solar-power-research
2. Справочник: Книга «Вопросы и ответы о возобновляемых источниках энергии» http://www.rushydro.ru/press/material/spravochnye-materialy/
26712.html#2
3. Урок географии вместе с «Комсомолкой», Изучаем энергетику https://www.volgograd.kp.ru/daily/26169/3056463/
4. Энергетика. Альтернативные источники энергии: почему они нужны всем https://1prime.ru/energy/20191219/830706934.html
5. Энергия будущего https://sites.google.com/site/energiabudusego/
energeticeskaa-revolucia
Приложение
Рис.1
Рис.2
Рис.3
Рис.4
Рис.5
Рис.6
Рис.7
Рис.8
Рис.9
Рис.10
Рис.11
Рис.12
Рис.13
Рис.14
Рис.15
Рис.16
Рис.17
|
Рис.18 |
Рис.19 |
|
Рис.20 |
Рис.21 |
|
Рис.22 |
Рис.23 |
Рис.24
Рис.25
Рис.26
|
Рис.27 |
Рис.28 |