XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Эффективность использования альтернативных источников энергии в целях энергосбережения
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В современном мире основными источниками энергии на Земле являются нефть, газ, каменный уголь, торф и ядерное топливо. Их запасы исчерпаемы. Их использование сильно загрязняет окружающую среду. От загрязнения страдают люди, животные, растения, нарушается природное равновесие. Поэтому люди стремятся найти новые, экологически чистые источники энергии, способные производить электричество и обеспечивать работу различных механизмов. Источники такой энергии – прежде всего вода, ветер, солнце, и внутреннее тепло Земли.
Альтернативная энергетика – совокупность перспективных способов получения энергии, которые распространены не так широко, как традиционные, однако представляют интерес из-за выгодности их использования при низком риске причинения вреда экологии. Энергия солнца самый распространенный вид альтернативных источников тепла. Но на сколько она может быть эффективна?
Цель работы:Выяснить, какова эффективность использования альтернативных источников энергии в целях энергосбережения на территории нашей местности.
Для достижения этой цели я сформулировала следующие задачи:
Собрать необходимую информацию в различных источниках.
Систематизировать полученную информацию
Провести необходимые расчёты.
Глава 1. Альтернативные источники – что это?
Альтернативный источник энергии – способ, устройство или сооружение, позволяющее получать электрическую энергию (или другой требуемый вид энергии) и заменяющий собой традиционные источники энергии, функционирующие на нефти, добываемом природном газе и угле.
Виды альтернативной энергетики: солнечная энергетика, ветроэнергетика, биомассовая энергетика, волновая энергетика, градиент-температурная энергетика, эффект запоминания формы, приливная энергетика, геотермальная энергия.
Рассмотрим основные виды альтернативных источников энергии.
Вречных и приливных гидроэлектростанциях используется энергия воды. Гидроэлектростанции вырабатывают более 6% всей энергии, потребляемой сегодня. Эти источники энергии почти не загрязняют окружающую среду, но оказывают нежелательное воздействие на природные экосистемы: изменяют климат, перегораживают реки, затопляют и подтопляют берега, активизируют абразию (процесс разрушения волнами и прибоем берегов морей, озер и водохранилищ) берегов, вызывают заиление, нарушают миграционные пути рыб, места их нереста и т.д.
В нашей местности основной источник электрической энергии – Нижегородская ГЭС – гидроэлектростанция на реке Волга у города Заволжье в Городецком районе.
Фото 1. Нижегородская ГЭС
Ещё один возможный источник энергии – сила ветра. Издавна сила ветраиспользовалась для движения кораблей (парус), помола зерна (ветряные мельницу), подъема и перекачивания воды, снабжение механическое энергией небольших промышленных производств. Мощность ветра на земном шаре в 500 раз больше потребляемой на планете энергии. В XXвеке энергию ветра начали использовать в ветровых турбинах для выработки электричества. Но, к сожалению, их не везде можно использовать. Он громоздкие и шумные. Они хороши для небольших населённых пунктов, в районах со средней скоростью ветра 6,5 -11 м/с (горные перевалы, морские побережья).
По состоянию на июнь 2021 года в ЕЭС России эксплуатировалось ветроэлектростанции общей мощностью 1378 МВт (0.56% всей установленной мощности энергосистемы), которые в 2020 году произвели 1384 млнкВт·ч электроэнергии (0,13%). Самая мощная электростанция на территории РФ Кочубеевская ВЭС Ставропольского края.
Фото 2. Кочубеевская ВЭС.
В южных районах, где много солнечных дней, наиболее перспективно использование солнечной радиации. Созданы и работают гелиоустановки. Они преобразуют энергию солнечной радиации в тепловую или электрическую. Солнечные водонагреватели используют для обеспечения горячего водоснабжения и для получения пресной воды из морской путем выпаривания.Солнечные батареи прямо преобразуют энергию солнечной радиации в электрическую. Используют в космических аппаратах, наручных часах, автоматических устройствах, для освещения домов и питания различной бытовой техники.
Солнечные батареи - приборы становятся всё более востребованными и популярными. Сегодня их производители реализуют в двух вариантах:
Готовые батареи, которые просто устанавливают на крышах домов, соединяя между собой в единый комплекс.
Отдельные фотоэлементы. Такой вариант предлагается для мастеров, которые сами собирают их в панели, подгоняя под требуемый объём получаемой энергии.
Фотоэлементы, используемые в солнечных батареях, тоже имеют две разновидности:
Монокристаллические. Они более эффективные, то есть с большим коэффициентом полезного действия, и долговечные элементы. Но их высокая эффективность достигается лишь в том случае, если небо ясное, и элементы получают стабильный солнечный поток.
Поликристаллические. У этого типа пониже КПД и эксплуатационный ресурс. Но они могут работать даже в облачную погоду. И это большой плюс.
По данным СО ЕЭС— системного оператора единой электроэнергетической системы России — суммарная установленная электрическая мощность солнечных электростанций ЕЭС России на IV квартал 2020 года составляла 1726,72 МВт или всего 0,7% от установленной мощности электростанций энергосистемы. Доля выработки, за счет низкого коэффициента использования, гораздо ниже: всего 0,19%.
Геотермальная энергия– внутреннее тепло Земли широко используется в вулканических районах мира. Здесь в земных недрах температура очень высокая. В некоторых местах струи кипящей воды и пара выбрасываются на поверхность, образуя фонтанирующие гейзеры. Эту воду используют для горячего водоснабжения, отопления домов и теплиц, для выработки электричества.
Биомассовая энергетика. При гниении биомассы (навоз, умершие организмы, растения) выделяется биогаз с высоким содержанием метана, который и используется для обогрева, выработки электроэнергии и пр.
Существуют предприятия (свинарники и коровники и др.), которые сами обеспечивают себя электроэнергией и теплом за счет того, что имеют несколько больших "чанов", куда сбрасывают большие массы навоза от животных. В этих герметичных баках навоз гниет, а выделившийся газ идет на нужды фермы.
Еще одним преимуществом этого вида энергетики является то, что в результате использования влажного навоза для получения энергии, от навоза остается сухой остаток являющийся прекрасным удобрением для полей.
Также в качестве биотоплива могут быть использованы быстрорастущие водоросли и некоторые виды органических отходов (стебли кукурузы, тростника и пр.).
|
Вид источника энергии |
С экологической |
С экономической |
С технической |
|
Энергия воды |
1)Не создают угрозу катастрофы в случае разрушения плотины. 2) Портится побережье. |
1) Низкая себестоимость. 2) Высокая стоимость строительства. |
1) Близка от потребителей. 2) Постоянно изменяющаяся мощность (зависит от фаз приливов и отливов) |
|
Энергия солнца |
1)Нестабильное воздействие на окружающую среду. 2) Требует значительное количество земли. |
1)Низкие затраты на обслуживание. 2) Большая стоимость. |
1)Увеличивается КПД солнечной энергии. 2) Редкоземельный материалы |
|
Энергия ветра |
1) Отсутствие загрязнения окружающей среды. 2) Угроза для птиц – вероятность столкновения. 3) Изменения в ландшафте. |
1) Экономия на топливе. 2) Высокие инвестиционные затраты. |
1) Минимальные потери при передаче энергии. 2) Возможность искажения приёма сигнала телевидения – незначительна. |
|
Геотермальная энергия |
1) Не выбрасывают вредные вещества. 2) Могут попасть вредные вещества в землю. |
1) Не требует больших трат. |
1)ГеоТЭС в дальнейшем может сама себя обеспечивать электричеством. 2) Сложности при утверждении проекта. |
Из всего вышесказанного следует, что на Земле есть различные способы добычи энергии, которые напрямую зависят от природных условий.
Выводы по главе 1
Изучая имеющуюся информацию, можно отметить наиболее перспективные источники энергии, которые не оказывают вредного действия на состояние окружающей среды и позволяют экономить исчерпаемые ресурсы. К таким источникам относятся энергия ветра, геотермальная энергия, солнечная радиация.
Широкому применению данных источников препятствуют условия погоды, небольшое количество солнечных дней, несовершенство современных технологий.
Глава 2. Расчет эффективности солнечной энергетики
Солнечные батареи прямо преобразуют энергию солнечной радиации в электрическую. Солнечные батареи используют в космических аппаратах. Наручных часах, для освещения домов и питания различной бытовой техники.
Солнечная батарея — несколько объединённых фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) — полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток, в отличие от солнечных коллекторов, производящих нагрев материала-теплоносителя.
Сердцем фотоэлемента является кремниевый кристалл. С кремнием (точнее его оксидами) мы встречаемся каждый день – это знакомый нам песок. Таким образом, можно сказать, что кремниевый кристалл – это выращенная в лаборатории гигантская песчинка. Кристаллам придают форму куба и режут на платины толщиной в двести микрон (примерно три-четыре толщины человеческого волоса). На кремниевую пластинку с одной стороны наносят тончайший слой фосфора, с другой стороны – тончайший слой бора. Там, где кремний контактирует с бором, возникает избыток свободных электронов, а там, где кремний контактирует с фосфором, наоборот электроны в недостатке, возникают так называемые «дырки». Стык сред, обладающих избытком и недостатком электронов, называется в физике p-n переход. Фотоны света бомбардируют поверхность пластины и вышибают избыточные электроны фосфора к недостающим электронам бора. Упорядоченное движение электронов – это и есть электрический ток. Осталось только «собрать» его, проведя через пластину металлические дорожки. Так в принципе устроен кремниевый фотоэлемент.
Области применения солнечных батарей.
Для обеспечения электричеством и/или подзарядки аккумуляторов различной бытовой электроники — калькуляторов, плееров, фонариков и т. П
Для подзарядки электромобилей.
Солнечные батареи крупного размера, как и солнечные коллекторы, широко используются в тропических и субтропических регионах с большим количеством солнечных дней. Особенно популярны в странах Средиземноморья, где их помещают на крышах домов.
Солнечные батареи — один из основных способов получения электрической энергии на космических аппаратах: они работают долгое время без расхода каких-либо материалов, и в то же время являются экологически безопасными, в отличие от ядерных и радиоизотопных источников энергии.
Южнокорейские ученые разработали подкожную солнечную батарею. Миниатюрный источник энергии может быть вживлен под кожу человека с целью бесперебойного обеспечения работы приборов, имплантированных в тело, например, кардиостимулятора. Такая батарея в 15 раз тоньше волоса и может заряжаться, если даже на кожу наносится солнцезащитное средство.
Значения мощности солнечного излучения (Вт/м2 ) и поступающей солнечной энергии (кВт∙ч/м2 ) в г. Нижний Новгород (по данным метеостанции)
|
Янв. |
Фев. |
Мар. |
Апр. |
Май |
Июн |
Июл |
Авг |
Сент |
Окт |
Нояб |
Дек |
Все данные указаны в джоулях на квадратный метр (Дж / м2). В скобках справочно приведены те же величины в кВт·ч / м2 (1 кВт·ч = 3.6 МДж).
Для определения эффективности использования солнечной энергии я рассмотрела структуру автономной станции. Структуру такой станции можно представить в следующей схеме.
Фото 3. Схема домашней электростанции на основе солнечной радиации.
В сети Интернет я нашла базовый комплект автономной электростанции. Характеристики: Мощность 1,8 Квт в сутки.Обеспечение электроэнергией:
Освещение 5-ю лампами до 10 часов
Телевизор до 5 часов работы
Зарядка для Ваших мобильных устройств
Холодильник 24 часа
Водяной насос до 2-х часов работы
Стоимость комплекта 60000 рублей.
Чтобы наглядно представить возможности использования солнечных батарей, я составила таблицу.
|
Преимущества |
Недостатки |
|
Экологичность |
Не работают ночью |
|
Бесплатная энергия в дом |
Фотоэлементы содержат ядовитые вещества(мышьяк, свинец) |
|
Не требует топлива |
Высокая температура |
|
Бесшумность |
Высокая цена. |
Я попробовала рассчитать стоимость установки солнечной батареи для моего дома площадью 60 кв. м.
За месяц я и моя семья тратит примерно 120 кВт энергии – это 800 рублей в месяц. Стоимость комплекта солнечной батареи: цена комплекта 60000 рублей и стоимость установки 40 000 рублей.
месяцев, что составляет почти 11 лет
Чтобы компенсировать большой расход, нужно будет примерно 125 месяцев использовать только энергию солнечной батареи, что на практике невозможно. Проще постараться экономить электроэнергию всеми возможными способами.
Выводы по главе 2:
Солнечные батареи являются альтернативными источниками энергии, их можно использовать для экономии электроэнергии.
Установка солнечной батареи связана с материальными затратами, причём в нашей местности немного солнечных дней.
Заключение
Экологически чистых источников энергии много. Но они либо дорого стоят, либо могут использоваться лишь в определённых районах земли.
Поэтому сейчас необходимо искать пути экономии получаемой энергии – энергосбережения.
Энергосбережение достигается:
Хорошей теплоизоляцией домов
Более полным использованием солнечного тепла и света
Меньшим расходом воды, электричества
Использованием велосипедов и пешего способа передвижения
Уменьшением использования личного транспорта
Расширением использования общественного транспорта.
Список используемых источников
Альтернативные источники энергии и что можно использовать для частного дома
https://m-strana.ru/articles/alternativnye-istochniki-energii/?utm_source=copy&utm_medium=direct&utm_campaign=copy_from_site
Андреев В.М., Грилихес В.А., Румянцев В.Д. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. — Л.: Наука, 1989.
Виды альтернативной энергетики. Справка
https://ria.ru/20091113/193404769.html
Горюнова Н.А. Органические полупроводники. — М.: 1968. с.
Дулов А., Слинкин А. Органические полупроводники. Полимеры с сопряженными связями.. — М.: Наука, 1970. — 128 с.
Е.Т.Зверев, Е.Г.Зверева ООО издательский дом «Оникс»«Экология 7-9 классы2002г
Козлов А.В., Ковалевский К.В., Юрченко А.В. Результаты климатических испытаний кремниевой солнечной батареи в натурных условиях г. Томска // Возобновляемая энергетика. Состояние, проблемы, перспективы: Матер. Междунар. конф. -СПб., 2003. - С. 275-281.
Мощность солнечного излученияhttp://khd2.narod.ru/gratis/insolate.htm#MOSCOW
Нетрадиционные возобновляемые источники энергии: учебное пособие / Л.М. Четошникова. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2010. – 69 с
https://altenergiya.ru/wp-content/uploads/books/common/chetoshnikova_l_m_netradicionnye_vozobnovlyaemye_istochniki.pdf
Фото представлены из https://yandex.ru/images/