XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Введение

Весенний день год кормит.

Из курса географии мы знаем, что наша планета движется вокруг ближайшей к нам звезды – Солнца. Солнце, как источник энергии, уже давно интересует человека. Всего за 9 минут Земля получает больше энергии от Солнца, чем человечество производит за весь год.

Особенный интерес у меня вызвало использование энергии Солнца в сельском хозяйстве, так как я живу в сельской местности в с.Шланлы (географические координаты: 53.87031870 ⁰ с.ш., 55,6664195 ⁰ в.д.).

Я заметила, что весна в ближайщих к нам городах наступает на 1-2 недели раньше. Раньше освобождаются от снега дворы и парки, трава на газонах раньше начинает зеленеть, деревья быстрее распускаются. Меня заинтересовала возможность использования энергии Солнца для раннего освобождения полей от снега и раннего начала сельскохозяйственных работ. Все эти вопросы подтолкнули к написанию данной работы.

Актуальность:  использование энергии Солнца для более раннего освобождения сельскохозяйственных полей от снега и более раннего начала сельскохозяйственных работ.

Цель работы: изучение возможности использования солнечного излучения для ускоренного таяния снега и льда в весенний период.

Задачи:

узнать об особенностях солнечного изучения;

изучить географию распределения падающей солнечной энергии на поверхность Земли;

исследовать возможности увеличения поглощения солнечной энергии снегом и льдом;

провести опыты по практическому исследованию возможности увеличения поглащения солнечной энергии снегом и льдом.

Объекты исследования: солнечная энергия и снег.

Предмет исследования: практическое применение солнечной энергии для эффективного таяния снега и льда.

Гипотеза: солнечные лучи можно эффективно «ловить» и найти им практическое применение.

Методы исследования: поисковый (сбор информации по теме), анализ информационных ресурсов, наблюдение, измерение, сравнение, эксперимент, систематизация, ИКТ (создание презентации).

Эксперименты по практическому использованию

солнечной энергии

Энергия Солнца и ее значение

Солнце – это огромный светящийся газовый шар, который является источником жизни на нашей планете.

Солнце нагревает атмосферу и поверхность Земли, оно формирует погоду и климат нашей планеты. Благодаря солнечной энергии дуют ветры, осуществляется круговорот воды в природе, нагреваются моря и океаны, развиваются растения. Именно благодаря солнечному излучению на Земле существуют ископаемые виды топлива. Солнечная энергия на Земле вызывает два круговорота веществ: большой, или геологический, наиболее ярко проявляющийся в круговороте воды и циркуляции атмосферы, и малый биологический (биотический), развивающийся на основе большого.

Солнечная энергетика является экологически чистой, то есть не производящей никаких вредных отходов и не наносит вред окружающей среде.

Солнечная энергетика использует неисчерпаемый источник энергии – Солнце. Эта энергия может использоваться в различных естественных и искусственных процессах. Так, растения, используя её, синтезируют органические соединения с выделением кислорода. Прямое нагревание солнечными лучами может быть использовано для производства электроэнергии (солнечными электростанциями) или выполнения другой полезной работы. Ультрафиолетовое излучение Солнца имеет антимикробные свойства, позволяющие использовать его для обеззараживания воды и различных предметов. Оно также вызывает загар и имеет другие биологические эффекты — например, стимулирует производство в организме витамина D.

География солнечного излучения

Солнечное излучение распределяется по территории Земли неравномерно. Количество солнечной радиации зависит от:

1) угла падения солнечных лучей;

2) продолжительности светлого времени суток;

3) облачности.

Среднегодовое количество солнечного излучения зависит от широты, на которой находится тот или иной район. Самое большое количество солнечной радиации получают пустыни, лежащие вдоль линий тропиков. Солнце там поднимается высоко и погода почти весь год безоблачная. Над экватором в атмосфере много водяного пара, который формирует плотную облачность. Пар и облачность поглощает большую часть солнечной радиации. Полярные районы получают меньше всего радиации, там солнечные лучи почти скользят по поверхности Земли.

Инсоляция на карте России

Инсоляцией (от латинского in solo – выставляю на солнце) называется облучение параллельным пучком лучей, поступающих с направления солнечного диска. Инсоляция значительно изменяется при переходе от одной точки земной поверхности к другой. Просторы Кубани получают значительно больше света, чем например Москва, Казань или Якутск. Ниже приведены таблицы со значениями инсоляции в разных странах и регионах.

Мощность солнечного излучения на поверхности Земли.

Среднегодовое суммарное солнечное излучение, падающее на горизонтальную площадку, составляет:

в Центральной Европе, Средней Азии и Канаде — приблизительно 1000 кВт×ч/м2;

в Средиземноморье — приблизительно 1700 кВт×ч/м2;

в большинстве пустынных регионов Африки, Ближнего Востока и Австралии — приблизительно 2200 кВт×ч/м2.

Вращение Земли вокруг Солнца не имело бы столь большого значения, если бы земная ось была перпендикулярна плоскости орбиты Земли. При этом в любой точке земного шара в одно и то же время суток Солнце поднималось бы на одинаковую высоту над горизонтом и были бы лишь незначительные сезонные изменения инсоляции, обусловленные изменением расстояния до Солнца при движении нашей планеты по орбите. В реальности земная ось отклонена от перпендикуляра к плоскости орбиты на 23°, и из-за этого меняется угол падения солнечных лучей в зависимости от положения Земли на орбите.

Карта инсоляции регионов России

Подстилающая поверхность отражает радиацию по-разному. Тёмные и неровные поверхности отражают мало радиации, а светлые и гладкие хорошо отражают. Море в шторм отражает меньше радиации, чем море в штиль.

Замеры в России показали, что наибольшие дозы солнечного излучения получают вовсе не черноморские курорты страны. На самом деле, рекордсменами по данному показателю оказались пограничные с Китаем территории и Северная Земля. Минимальная доза солнечного света приходится на северо-западный регион России – Санкт-Петербург, Ленинградская область и прилегающие к нему районы.

Аургазинский район расположен на 54 параллели. Аургазинский район получает в день в среднем около 4 кВт*ч/кв.м., зимой меньше, летом больше суммарной солнечной радиации, из которых 40% составляет рассеянная радиация. Продолжительность солнечного сияния 1700-2000 часов в год.

Летом от Земли отражается около 4% солнечной энергии. Зимой Угловая высота Солнца 22 декабря 10⁰ , 22 июня - 55,5⁰ .

Месячные и годовые суммы суммарной солнечной радиации, кВт*ч/м2

Северная широта 540	янв	февр	март	апр	май	июнь	июль	авг	сент	окт	нояб	дек	год
Горизонтальная плоскость,	16.4	34.6	79.4	111.2	161.4	166.7	166.3	130.1	82.9	41.4	18.6	11.7	1020.7

Из таблицы видно, что в нашем районе, в зимние и весенние (январь – март) месяцы, вследствие малой высоты Солнца и ослабления солнечного излучения атмосферой, количество солнечной радиации падает в 2-10 раза по сравнению с летними месяцами.

 

Мои эксперименты по практическому измерению поглашенной солнечной энергии

Я заметила, что весенний загрязненный снег быстрее тает. Это явление меня заинтересовало и я решила исследовать данное явление. В качестве поглощающих солнечную энергию веществ я использовала сухую землю из цветочного горшка и печную золу.

Эксперимент проводился 9 января 2023г. Высота Солнца над горизонтом - 11⁰.

В качестве экспериментального поля я использовала домашний огород, где на чистом свежевыпавшем снеге я начертила квадратики со сторонами 25 см (площадь каждого - 0,0625м²). Всего квадратиков – 16 шт. Внутри периметра квадратов равномерно по всей площади рассыпала определенные количество земли и золы.

В качестве измерительного прибора я использовала тестер в режиме измерения напряжения и солнечную батарею от фонарика, в качестве солнечного датчика. Солнечную батарею держала горизонтально, рабочей поверхностью вниз на расстоянии 10 см от поверхности снега. Над каждым квадратом фиксировала напряжение (в Вольтах), выработанное солнечной батареей от отраженной солнечной энергии. Солнечная батарея, направленная на Солнце, вырабатывала 6,17 В.

Вещество	ог	0,5г	1г	1,5г	2г	3г	4г	5г	20г
зола	5,66	5,46	5,47	5,34	5,32	5,11	4,96	4,84	4,58
Земля сухая	5,66	5,65	5,57	5,52	5,43	5,39	5,31	5,23	4,45

Отраженная от чистого снега солнечная энергия вырабатывает 5,66 Вольта электрической энергии.

Из таблицы видим, что чем больше загрязнение снега, тем меньше показание вольтметра (количество отраженной солнечной энергии), значит больше количество поглащенной энергии.

На следующий день я заметила, что на квадратах заметно было подтаивание снега (снег провалился). Интенсивнее снег таял там, где сильнее был загрязнен.

Выводы

В результате работы над проектом, я узнала, что количество поглощаемой солнечной энергии снегом зависит от рода вещества, используемого для искусственного загрязнения поверхности снега и его количества:

С увеличением загрязнения поверхности количество отраженной от снега энергии уменьшается, а количество поглащенной энергии увеличивается и снег тает быстрее.

Из двух веществ, используемых в эксперименте и взятых в равных массах, лучшие результаты показала обыкновенная печная зола, так как ее плотность меньше и концентрация на поверхности снега больше и энергия поглащается больше и снег будет таять интенсивнее.

Рекомендация для использования результатов исследования:

Весной (конец марта – начало апреля) необходимо на полях и огородах искусственным образом рассыпать золу, т.к. зола имеет низкую плотность и поэтому ложится на снег более равномерно. Нельзя допускать толстого сплошного покрытия снега золой и землей, т.к. толстый слой золы или земли создадут обратный эффект - эффект термоса: сухие зола и земля –отличные теплоизоляторы.

Таким образом, я считаю, что цель и задачи, поставленные в начале работы, достигнуты. Выдвинутая гипотеза исследования полностью подтвердилась. Призываю использовать данный способ для приближения Весны.

Практическая значимость: результаты моего исследования можно использовать весной в огороде и во дворе, чтобы быстрее растаял снег.

Список литературы

Интернет источники:

http://energodom.org/energodom/vozobnovlyaemye-istochniki-energii/42-gelio-alternativa/182-passive-solar («Пассивные солнечный системы»)

http://realproducts.ru/kak-ispolzuyut-solnechnuyu-energiyu/ («Охрана окружающей среды»)

http://solarsoul.net/ispolzovanie-solnechnoj-energii-v-passivnom-dome («Использование солнечной энергии в пассивном доме»)

http://www.gigavat.com/ses_sun.php («Все об электростанциях»).