XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Энергосбережение в образовательном учреждении: как сэкономить электроэнергию и снизить влияние на окружающую среду

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Комякова Е.А. 1

---

1БОУ г. Омска «Гимназия №19»

Филиппова О.В. 1

---

1БОУ г. Омска «Гимназия №19»

Работа в формате PDF

874.3 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Эффективное использование энергетических ресурсов — это один из важных вопросов, который всегда был актуален для человечества. Мы часто видим информацию про энергосбережение по телевизору, в интернете, в газетах. Ученые говорят, что вопросы энергосбережения неразрывно связаны с охраной окружающей среды. Меня заинтересовал вопрос: какие мероприятия по энергосбережению возможны в моей школе, сколько при этом можно сэкономить энергоресурсов и как это скажется на окружающей среде? Я решила провести исследование на примере систем освещения моей школы и найти ответы на эти вопросы.

Новизна моей работы заключается в том, что я провела комплексный анализ возможностей энергосбережения в системах освещения моей школы, оценила экономический и экологический эффект от внедрения энергосберегающих мероприятий и экспериментально подтвердила свои расчеты. Такое исследование для нашей школы ранее не выполнялось.

Объект исследования – лампы освещения различных типов.

Предмет – энергетические, экономические и экологические параметры ламп освещения.

Цель работы – оценить эффект от внедрения энергосберегающих ламп в моей школе и подтвердить его экспериментально.

Для достижения цели я поставила следующие задачи:

- рассмотреть основные типы применяемых сегодня ламп, их характеристики, преимущества и недостатки;

- выполнить анализ применяемых в школе систем освещения;

- провести эксперимент для оценки фактического потребления энергии и уровня освещенности ламп различных типов;

- оценить эффект от применения светодиодных ламп в моей школе и определить, как это скажется на охране окружающей среды.

Я выдвинула гипотезу: применение светодиодных ламп позволит существенно снизить затраты моей школы на энергоресурсы и уменьшит негативное влияние на окружающую среду.

В работе я использовала методы анализа и систематизации, алгебраические методы из курса математики в начальной школе и экспериментальные методы.

Источники работы – результаты эксперимента по оценке фактического потребления энергии и уровня освещенности ламп различных типов.

Материалами для описания теоретических вопросов послужили книги
И. Грэхем [1], Д. Коул и Б. Деген [2], А. Томилина [5], журналы для детей [4], статистические данные [3] и др.

Практическая значимость исследования в том, что полученные сведения можно представить как сообщение на уроке «Окружающий мир» или классном часе.

Работа состоит из введения, двух глав, заключения, списка использованной литературы, приложения.

1 ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ В НАШЕЙ ЖИЗНИ

1.1 История изобретения электричества

Перед началом исследования я решила изучить, что такое электричество и как люди производят и используют электрическую энергию. Для этого я взяла в библиотеке книги [1, 2, 4, 5]. Вот что мне удалось выяснить.

Электричество – одна из самых мощных сил, влияющих на нашу жизнь. Благодаря электричеству разные приборы способны светиться, нагреваться, двигаться. Электрическими являются мобильные телефоны, вентиляторы, кондиционеры, телевизоры, лампы, троллейбусы, трамваи и многое другое.

Электричество невидимо, но окружает нас повсюду. Люди знали о нем давно. Например, люди замечали, что если погладить кота, то его шерсть встает дыбом. Такое явление называется статическим электричеством. При грозе люди наблюдали молнии. Первым ученым, который придумал прибор для измерения заряда молнии в 1745 году, стал русский физик Георг Рихман. Его прибор получил название «громовая машина».

Американский ученый Бенджамин Франклин в 1752 году запускал воздушного змея в грозу, чтобы доказать, что молния является формой электричества.

Производить и полезно использовать электроэнергию люди научились чуть более 200 лет назад. В 1800 году итальянский ученый Алессандро Вольта изобрел электрическую батарейку. В его честь названа единица электрического напряжения – 1 Вольт. В 1820 году французский ученый Андре Мари Ампер доказал, что при протекании электрического тока по проводам создается магнитное поле, то есть электричество и магнетизм связаны между собой. В честь него названа единица электрического тока – 1 Ампер. В 1821 году английский ученый Майкл Фарадей изобрел электродвигатель, а в 1831 году – трансформатор (устройство для уменьшения или увеличения электрического напряжения). В 1876 году русский ученый Павел Яблочков изобрел первую электрическую лампочку. Это был невероятный успех: его лампы были установлены в Лондоне, Париже, Берлине, Риме, Санкт-Петербурге и других городах. В 1879 году американский изобретатель Томас Эдисон усовершенствовал «свечу» Яблочкова, сделав ее более дешевой и долговечной.

Так постепенно электричество проникало в нашу жизнь. Откуда же оно берется и какова его природа?

Электричество возникает благодаря движению и взаимодействию электрических зарядов. Эти заряды можно обнаружить в атоме. Ядро атома имеет положительный электрический заряд (+), а летающие вокруг него электроны – отрицательный (-). Положительные и отрицательные заряды уравновешивают друг друга. Но если по какой-то причине электроны покинули атом, то он становится заряженным. Такое электричество называют статическим. Если же электроны переходят от атома к атому, то возникает электрический ток.

1.2 Как производят электрическую энергию

Первые в мире общественные электростанции были построены в Великобритании и США в 1880-х годах. В первое время только самые богатые люди могли себе позволить электроснабжение дома, но затем уже большое количество домов было подключено к электричеству.

Общая схема передачи электроэнергии к потребителям приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема передачи электроэнергии к потребителям

Сначала электростанция 1 производит электроэнергию с помощью электрических генераторов. Эта электроэнергия имеет низкое напряжение, поэтому для ее передачи нужно повысить напряжение до сотен тысяч вольт. Для этого используется повышающая трансформаторная подстанция 2. Потом электроэнергия идет на большие расстояния по линии электропередачи 3, которая расположена на опорах. Когда электроэнергия доходит до потребителя, то необходимо понизить напряжение до безопасного уровня, который может применяться дома (220 вольт). Это делается с помощью трансформаторов на подстанции 4.

В жилые дома и другие здания электроэнергия поступает по воздушным или кабельным линиям электропередачи.

Для производства электроэнергии используются электростанции различных типов. Я проанализировала литературу [1, 2] и статистику по мировому потреблению энергоресурсов за 2021 год [3] и составила сравнительную таблицу (таблица 1).

Таблица 1 – Типы электростанций

Электростанции можно классифицировать на три основные группы: тепловые, атомные и электростанции на возобновляемых источниках энергии. Возобновляемые источники так называются, потому что все время возникают в природе и никогда не заканчиваются. Согласно статистике [3], в 2021 году в мире преобладали тепловые электростанции (рисунок 2). Суммарно доля угля, природного газа и нефтепродуктов составила 80 % (27 % + 24 % + 29 % = 80 %).

29 %

24 %

27 %

Рисунок 2 – Мировое потребление энергоресурсов в 2021 году

1.3 Почему нужно экономить электрическую энергию

Мы часто видим информацию про энергосбережение и экономию электроэнергии по телевизору, в интернете, в газетах. Почему это необходимо?

Можно выделить две основные причины.

1. Когда мы снижаем потребление электроэнергии, мы уменьшаем денежные затраты. Сэкономленные деньги можно потратить на что-нибудь полезное и важное. Например, школа может приобрести новые учебники или оборудование.

2. Снижение потребления электроэнергии приводит к снижению вредного влияния на окружающую среду. Главным образом это влияние происходит за счет тепловых электростанций. При сжигании угля, природного газа, нефтепродуктов в атмосферу выделяется огромное количество углекислого газа. Углекислый газ создает так называемый парниковый эффект (рисунок 3).

Рисунок 3 – Парниковый эффект

Сам по себе парниковый эффект полезен: он необходим для того, чтобы солнечный свет, отражаясь от поверхности Земли, не уходил в космос и нагревал атмосферу. Благодаря этому на Земле поддерживается комфортная температура.

Но когда углекислого газа в атмосфере становится слишком много, возникает избыточный парниковый эффект. Из-за этого температура на Земле начинает быстро увеличиваться. Ученые пришли к выводу, что средняя температура на Земле выросла больше чем на 1 ℃ за последние 100 лет. Это связано с тем, что именно в последние 100 лет хозяйственная деятельность человека, а значит, и потребление энергии, достигла огромных масштабов.

В результате глобального потепления могут наблюдаться следующие негативные последствия:

1. Засуха, увеличение площади пустынь.

2. Ухудшение сельского хозяйства в странах с умеренным и жарким климатом.

3. Таяние ледников и затопление прибрежных территорий.

4. Увеличение частоты и интенсивности природных катаклизмов (лесные пожары, наводнения и т.д.).

5. Таяние вечной мерзлоты.

Кроме углекислого газа, при сжигании ископаемого топлива в атмосферу выделяются и другие вредные и опасные вещества, которые приводят к различным заболеваниям. Особенно вредным топливом является каменный уголь. Поэтому экономия электроэнергии является очень важной задачей.

Итак, в первой главе я рассмотрела вопросы изобретения электричества, изучила основные открытия в этой области. Выяснила, каким образом производят электроэнергию, выполнила классификацию электростанций и показала их основные преимущества и недостатки. Я выяснила, что вопросы энергосбережения являются очень важными для человечества, так как позволяют не только экономить деньги, но и снизить вредное влияние на окружающую среду.

Далее я исследую, как можно сэкономить электроэнергию в моей школе, проведу эксперимент и проверю свою гипотезу.

2 ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В ОБРАЗОВАТЕЛЬНОМ УЧРЕЖДЕНИИ

2.1 Оценка расхода электроэнергии в классе

Наша школа, как и любое другое здание, потребляет электроэнергию. В нашей школе нет мощного электрооборудования, больших станков, эскалаторов и т.д. Поэтому основной расход электроэнергии приходится на освещение классов.

Я решила выяснить, какие типы ламп освещения существуют. Их можно классифицировать на три группы: лампы накаливания, люминесцентные лампы и светодиодные лампы. Мы с родителями приобрели все лампы таких типов, фотографии приведены на рисунке 4.

Рисунок 4 – Лампы освещения: сверху – лампа накаливания, в середине – люминесцентная, внизу - светодиодная

Первыми были изобретены лампы накаливания. Они работают по тому же принципу, что и «свеча» Яблочкова и лампа Эдисона. Лампа содержит вольфрамовую нить накала. Когда через нее протекает электрический ток, нить начинает нагреваться и светиться. Преимуществами таких ламп являются их дешевизна, отсутствие мерцания, бесшумность работы. Недостатком является большой расход электроэнергии и маленький срок службы (около 1000 часов).

Люминесцентная лампа представляет собой колбу, из которой откачивается весь воздух и закачивается специальный инертный газ. На контакты лампы подается напряжение, и газ начинает светиться. Преимуществами таких ламп являются их относительно невысокая стоимость, большая эффективность и срок службы (10000 часов), чем у ламп накаливания. Недостатком является необходимость специальной утилизации из-за содержания ртути.

Самыми современными являются светодиодные лампы. У них в конструкции имеется светодиод, который при подаче напряжения начинает светиться. Такие лампы более эффективны, чем все остальные, имеют большой срок службы (до 40000 часов). Недостатком является то, что они дороже остальных типов ламп.

Я решила определить, сколько электроэнергии потребляет мой класс за один год. Для этого я посчитала, сколько светильников в классе. Внешний вид светильника приведен на рисунке 5, их оказалось 16 штук.

В интернете я выяснила, что светильники такого типа обычно состоят из четырех люминесцентных ламп мощностью 18 Вт каждая. Тогда мощность одного светильника составит:

Вт.

Мощность всех светильников в моем классе составит:

Вт.

Рисунок 5 – Светильники в моем классе

Я посчитала, сколько часов в год горит свет в моем классе. Учитывая, что в классе учатся школьники в две смены, в среднем свет горит 6 часов в день. В месяце примерно 22 учебных дня, учеба проходит девять месяцев. Тогда общее число часов горения ламп составит:

часов.

Умножив мощность ламп на количество часов работы, получим годовой расход электроэнергии в ватт-часах:

ватт-час.

Обычно расход электроэнергии указывается не в ватт-часах, а в киловатт-часах. Т.е. годовой расход электроэнергии составит 1369 киловатт-час.

Цена электроэнергии составляет примерно 4 руб. за киловатт-час. Тогда годовые затраты на освещение моего класса составят:

руб.

Таким образом, я определила, сколько электроэнергии нужно на освещение моего класса. Теперь нужно определить, сколько электроэнергии можно сэкономить, если заменить люминесцентные лампы на светодиодные. С этой целью я вместе с моими родителями провела эксперимент.

2.2 Эксперимент по оценке расхода электроэнергии лампами разных типов

Самое главное, что нужно знать: электричество может быть опасным. Оно способно причинить вред и даже убить. Ребенку ни в коем случае нельзя одному работать с электрическими приборами. Поэтому эксперимент я проводила вместе с моими родителями.

Для эксперимента использованы (рисунок 6):

4

3

2

1

Рисунок 6 – Установка для эксперимента

1. Источник питания (автотрансформатор), который включается в розетку.

2. Ваттметр – это устройство, которое измеряет потребляемую мощность лампы.

3. Мультиметр – это устройство, которое мы использовали для контроля уровня напряжения (220 В). Если оно уменьшалось или увеличивалось, мы регулировали его на источнике питания.

4. Светильник – сюда мы вкручивали лампы различных типов.

Родители помогли мне соединить электрические приборы с помощью проводов.

Также использован люксметр – это устройство для контроля уровня освещенности (она измеряется в люксах).

Порядок проведения эксперимента следующий:

1. В светильник по очереди вворачиваются лампы трех типов: лампа накаливания, люминесцентная и светодиодная лампы.

2. Измеряется потребляемая мощность по ваттметру и уровень освещенности по люксметру. При этом уровень напряжения постоянно контролируется по мультиметру. Пример показаний ваттметра и люксметра приведен на рисунке 7.

Рисунок 7 – Показания ваттметра и люксметра

3. Результаты сводились в таблицу 2.

Таблица 2 – Результаты эксперимента

По результатам эксперимента можно сделать следующие выводы:

1. Во всех случаях мощность по паспорту оказывалась выше, чем мощность по показаниям ваттметра.

2. Все рассмотренные лампы дают примерно одинаковую освещенность. Но можно выделить светодиодную лампу, фактический уровень освещенности которой немного выше остальных.

3. Потребляемая мощность светодиодной лампы в 9 раз меньше, чем у лампы накаливания и почти в 2 раза меньше, чем у люминесцентной.

Таким образом, я экспериментально доказала, что светодиодные лампы являются наиболее эффективными, а экономия электроэнергии в сравнении с люминесцентными лампами составляет примерно 2 раза.

2.3 Оценка экономии электроэнергии в классе и школе

Ранее в п. 2.1 я определила, что расход электроэнергии на цели освещения в моем классе составляет 1369 киловатт-час или 5476 руб. Если вместо люминесцентных ламп мы будет использовать светодиодные, это позволит обеспечить примерно тот же уровень освещенности, но снизит расход электроэнергии примерно в два раза.

То есть годовая экономия электроэнергии составит 685 киловатт-час или 2740 руб.

Я определила, что в нашей школе примерно 40 учебных классов (помещений). Я узнала у заведующего по хозяйственной части, что примерно в 12 из них лампы уже заменены на светодиодные. Значит, замена ламп требуется в 28 классах.

Если принять, что количество светильников в этих помещениях такое же, как в моем классе, то годовая экономия электроэнергии в результате замены ламп на светодиодные в школе в целом составит:

киловатт-час.

Это соответствует экономии денежных средств 76720 руб.

Для того, чтобы определить, как внедрение светодиодных ламп в нашей школе позволит снизить выбросы парниковых газов в окружающую среду, я воспользовалась онлайн-калькулятором в интернете по ссылке [6]. Экономия электроэнергии в 19180 киловатт-час соответствует снижению выбросов углекислого газа в объеме почти 7 тонн. Столько же углекислого газа выбрасывает в атмосферу самолет с 70 пассажирами при перелете из Омска в Новосибирск и обратно.

Таким образом, я подтвердила свою гипотезу о том, что применение светодиодных ламп позволит существенно снизить затраты моей школы на энергоресурсы и уменьшит негативное влияние на окружающую среду.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе я исследовала вопросы энергосбережения и охраны окружающей среды применительно к моей школе. Я предположила, что применение светодиодных ламп позволит существенно снизить затраты моей школы на энергоресурсы и уменьшит негативное влияние на окружающую среду. Для доказательства этой гипотезы я рассмотрела вопросы изобретения электричества, изучила основные открытия в этой области. Изучила, каким образом производят электроэнергию, выполнила классификацию электростанций и показала их основные преимущества и недостатки. Я выяснила, как связаны энергосбережение и охрана окружающей среды.

Вместе с родителями я провела эксперимент, в ходе которого доказала, что светодиодные лампы являются наиболее эффективными, а экономия электроэнергии в сравнении с люминесцентными лампами составляет примерно 2 раза.

Я определила, что при замене люминесцентных ламп на светодиодные в моей школе можно сэкономить 19180 киловатт-час, что соответствует экономии денежных средств 76720 руб. Также это мероприятие позволит снизить выбросы углекислого газа в объеме почти 7 тонн. Столько же углекислого газа выбрасывает в атмосферу самолет с 70 пассажирами при перелете из Омска в Новосибирск и обратно.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Грэхэм И. Зачем нам нужно электричество? / Санкт-Петербург: Питер, 2017. 32 с.

Коул Д., Деген Б. Волшебный школьный автобус. Экскурсия в электрические поля / Москва: Карьера-Пресс, 2016. 48 с.

Данные о мировой энергетике и климате https://energystats.enerdata.net/ (дата обращения 14.09.2022)

Журнал «Детская энциклопедия». №2-2018. 56 с.

Томилин А. Рассказы об электричестве. Москва: Детская литература, 1987. 302 с.

https://www.carbonfootprint.com/calculator.aspx (дата обращения 15.09.2022)