XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Альтернативная энергия и способы ее получения в домашних условиях
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В современном мире открыто множество способов получения энергии, которые находят широкое применение в разных сферах. В том числе к ним относятся и возобновляемые источники: энергия солнца, ветра, биотоплива, геотермальная, морских волн, водородная.
Несмотря на то, что данные виды возобновляемые, применение альтернативной энергетики распространено далеко не во всех странах по сравнению с традиционной. Вместе с тем эти источники представляют высокий интерес с точки зрения их неограниченного ресурса энергии. Меня заинтересовал вопрос, какую роль способна играть альтернативная энергия в нашей повседневной жизни и можно ли ее генерировать самостоятельно, в домашних условиях. Я решил провести исследования и найти ответы.
Мое исследование актуально, так как пользуясь альтернативной энергией мы сегодня можем внести посильный вклад в экономию исчерпаемых ресурсов.
Объект моего исследования – альтернативная энергия.
Предмет – способы получения альтернативной энергии в домашних условиях.
Цель работы заключается в исследовании альтернативных источников энергии и способов ее получения в домашних условиях.
Для ее достижения мне предстоит решить следующие задачи:
- выяснить, какие бывают виды нетрадиционной альтернативной энергии;
- определить, в каких областях современной жизни и почему применяется альтернативная нетрадиционная энергия;
- установить, в каких сферах нашей повседневной жизни можно использовать альтернативную нетрадиционную энергию;
- провести опыты и получить альтернативную нетрадиционную энергию в домашних условиях;
- сделать информационный буклет и рассказать об альтернативной нетрадиционной энергии моим одноклассникам.
Моя гипотеза заключается в предположении, что альтернативную энергию можно получить в домашних условиях и использовать по практическому назначению.
В исследовании я использовал следующие общенаучные методы. Анализ и синтез во время работы с литературой и отбором нужной информации для первой главы. Метод эксперимента, наблюдения и сравнения применялся в работе над второй главой во время получения альтернативных источников энергии.
Источниками работы послужили данные экспериментов.
Практическая значимость исследования заключается в том, что его результаты могут быть презентованы в рамках уроков по окружающему миру, а разработанный информационный буклет расширит знания учащихся об этом явлении.
Глава 1. Альтернативные источники энергии
Виды нетрадиционных источников энергии.
Нефть, уголь, природный газ, торф относятся к ископаемыми видами топлива. Все они образовались в результате разложения останков растений, животных и добываются из земной коры. На то, чтобы эти органические останки превратились в топливо, пригодное для использования, требуются миллионы лет. И хотя геологи до сих пор продолжают находить новые месторождения, однажды запасы ископаемого топлива могут окончательно иссякнуть. Кроме того, их использование наносит вред экологии, оказывает негативное воздействие на земной климат. Сгорая, полезные ископаемые выделяют в атмосферу углекислый и другие газы. Это приводит к «парниковому эффекту» и способствует глобальному потеплению.
Понимание данных проблем подтолкнуло человечество к поиску нетрадиционных, то есть альтернативных источников энергии. К их числу относят энергию солнца, ветра, ежегодно возобновляемую органическую массу (биомассу), энергию, концентрируемую океаном в виде морских волн, течений, приливов и отливов, нагретых поверхностных слоев, энергию рек. Они получили название возобновляемых, так как постоянно пополняются.
Одной из самых перспективных отраслей альтернативного получения энергии считается ветряная энергетика.Энергию ветра можно преобразовывать в электричество. Ветер вращает огромные лопасти турбин. Они в свою очередь, заставляют работать электрогенераторы. Лопасти ветряных турбин могут быть свыше 100 метров в поперечнике, чтобы «захватить» как можно больше ветра.
Ветряные электростанции представляют собой несколько ветряных установок, объединенных между собой в единую сеть. Крупные станции могут включать в себя более 100 ветрогенераторов. Такие места получили название «ветряные парки». Ветрогенераторы – это экологический способ добывать энергию в течение неограниченного времени [1].
Гидроэнергетика представляет собой использование энергии естественного движения, течения, водных масс в русловых водотоках и приливных движениях. Чаще всего используется энергия падающей воды. До середины XIX в. для этого применялись водяные колеса, преобразующие энергию движущейся воды в механическую энергию вращающегося вала. Позднее появились более быстроходные и эффективные гидравлические турбины. В данное время вся механическая энергия, создаваемая гидравлическими турбинами, преобразуется в электроэнергию [10].
Гидростанция работает на «бесплатном топливе»: солнечная энергия испаряет воду (главным образом с поверхности океанов), воздушные потоки переносят водяной пар на материки, где он конденсируется и выпадает в виде дождя и снега. Выпадающая на поверхность земли влага частично снова испаряется, частично собирается в реки и стекает обратно в океаны [10].
Притяжение Луны и Солнца порождают в Мировом океане приливную волну. Высота этой волны максимальна, когда Земля, Луна и Солнце находятся на одной линии, и минимальна, когда направления на Луну и Солнце составляют прямой угол. Вследствие суточного вращения Земли волна накатывается на берега материков. Амплитуда приливо-отливных колебаний уровня у берега зависит от рельефа дна и от формы береговой черты [7].
Хотя приливная энергия еще не получила широкого распространения, она имеет потенциал для будущего производства электроэнергии. Приливы более предсказуемы, чем ветер и солнце. Приливная сила берется из океанических приливов Земли. Эти силы создают соответствующие движения или потоки в мировых океанах. Из-за сильного притяжения к океанам возникает выпуклость в уровне воды, вызывая временное повышение уровня моря. Когда Земля вращается, эта выпуклость океанской воды встречается с мелкой водой, прилегающей к береговой линии, и создает прилив. Это происходит в неизменной манере из-за постоянной орбиты луны вокруг Земли. Величина и характер этого движения отражают изменяющиеся положения Луны и Солнца относительно Земли, эффекты вращения Земли и местную географию морского дна и береговых линий [9].
В некоторых районах природа «доставляет» геотермальную энергию к поверхности в виде пара или перегретой воды, вскипающей и переходящей в пар при выходе на поверхность. Природный пар можно непосредственно использовать для производства электроэнергии. Имеются также районы, где термальными водами из источников или скважин можно обогревать жилища и теплицы, а также использовать их для обеспечения энергией низкотемпературные химические процессы. Однако в целом, особенно с учетом величины глубинного тепла Земли, использование геотермальной энергии в мире пока крайне ограничено [9].
Биоэнергетикой называют получение энергии из биологического топлива. Используют три основных вида: жидкое, твердое и газообразное. Жидкое биотопливо используется в двигателях внутреннего сгорания. Твердое (дрова, торф, брикеты из навоза) применяется в различных обогревательных котлах. Газообразное биотопливо применяется как для получения электрической, так и тепловой энергии. Особенно актуально оно там, где требуются горючие газы (например, для газовых плит, газовых отопительных котлов и так далее). В последнее время получение газообразного биотоплива приобрело значение в индивидуальных загородных хозяйствах – для обеспечения домов теплом и газом для плит, в редких случаях – для получения электроэнергии [9].
Сгорая, уголь, нефть, природный газ полностью отдают свою энергию, и их невозможно использовать повторно. Но другие источники энергии – ветер, водный поток, солнечный свет – постоянно возобновляются.
В данном параграфе, я выяснил, что существуют разные виды энергии. Она делится на возобновляемую и невозобновляемую. К альтернативной, возобновляемой, относится солнечная, ветряная, геотермальная, энергия приливов и отливов, гидроэнергетика и биоэнергетика. Именно этот вид энергии более безопасен для нашей планеты, так как не приводит к «парниковому эффекту», но в то же время в мире он еще не получил повсеместного распространения. Также отмечу, что сегодня в основном альтернативная энергия используется для получения электричества и тепла.
Области применения альтернативных источников энергии.
Солнечная энергия – один из самых мощных видов альтернативных источников энергии. Чаще всего ее преобразуют в электричество через солнечные батареи. Удивительный факт: нашей планете может хватить энергии на целый год, которую Солнце посылает на Землю всего лишь в течение одного дня. Вместе с этим, годовая выработка электроэнергии на солнечных электростанциях от общего объема не превышает 2% [7].
Главным недостатком является зависимость от времени суток и погоды. Для тех стран, где солнечного света мало, получать солнечную энергию невыгодно. Это объясняется высокой стоимостью конструкций, необходимостью ухода за ними, утилизации фотоэлементов, в которых содержатся ядовитые вещества (свинец, галлий, мышьяк). Также для больших объемов выработки энергии необходимо задействовать огромные площади.
Поэтому солнечное электричество распространено там, где его производство обходится дешевле обычного: в отдаленных обитаемых островах и фермерских участках, на космических и морских станциях. В теплых странах с высокими тарифами на электроэнергию, оно может покрывать нужды обычного дома. Например, в Израиле 80% воды нагревается солнечной энергией. Солнечные батареи также устанавливают на беспилотные автомобили, самолеты, дирижабли, поезда Hyperloop (вакуумные поезда Илона Маска) [8].
Запасов энергии ветра в 100 раз больше запасов энергии всех рек на планете. Ветровые станции помогают преобразовывать ветер в электрическую, тепловую и механическую энергию. Главное оборудование – ветрогенераторы (для образования электричества) и ветровые мельницы (для механической энергии).
Этот вид возобновляемой энергии хорошо развит в Дании, Португалии, Испании, Ирландии и Германии. К началу 2016 г. мощность всех ветрогенераторов обогнала суммарную установленную мощность атомной энергетики [1].
Один из главных недостатков энергии ветра заключается в том, что ее нельзя контролировать – сила ветра непостоянна. Кроме того, ветроустановки могут вызывать радиопомехи и влиять на климат, потому что забирают часть кинетической энергии ветра – правда, ученые пока не знают хорошо это или плохо [9].
Чтобы преобразовать движение воды в электричество нужны гидроэлектростанции (ГЭС) с плотинами и водохранилищами. Их ставят на реках с сильным потоком, которые не пересыхают. Плотины строят для того, чтобы добиться определенного напора воды – он заставляет двигаться лопасти гидротурбины, а она приводит в действие электрогенераторы.
Строить ГЭС дороже и сложнее относительно обычных электростанций, но цена электричества (на российских ГЭС) в два раза ниже. Турбины могут работать в разных режимах мощности и контролировать выработку электричества.
Существует множество методов производства электричества из волн, но результативно работают только три. Они различаются по типу установок на воде. Это камеры, нижняя часть которых погружена в воду, поплавки или установки с искусственным атоллом.
Такие волновые электростанции передают кинетическую энергию морских или океанических волн по кабелю на сушу, где она на специальных станциях преобразуется в электричество. Этот вид используется мало – 1% от всего производства электроэнергии в мире. Системы тоже стоят дорого и для них нужен удобный выход к воде, который есть не у каждой страны [8].
Энергию приливов и отливов получают от естественного подъема и спада уровня воды. Электростанции ставят только вдоль берега, а перепад воды должен быть не меньше 5 метров. Для генерации электричества строят приливные станции, дамбы и турбины.
Приливы и отливы хорошо изучены, поэтому этот источник более предсказуем по сравнению с другими. Но освоение технологий шло медленно, и потому их доля в глобальном производстве пока еще мала. Кроме того, приливные циклы не всегда соответствуют норме потребления электричества.
Геотермальные станции берут внутреннюю энергию Земли – горячую воду и пар. Их ставят в вулканических районах, где вода подступает к поверхности, или добраться до нее можно, пробурив скважину (от 3 до 10 км) [11].
Извлекаемая вода отапливает здания напрямую или через теплообменный блок. Еще ее перерабатывают в электричество, когда горячий пар вращает турбину, соединенную с электрогенератором. Недостатки этого вида – цена, угроза температуре Земли, выбросы углекислого газа и сероводорода.
Больше всего геотермальных станций расположено в США, на Филиппинах, в Индонезии, Мексике и Исландии [8].
Биоэнергетика получает электричество и тепло из топлива первого, второго и третьего поколений. Биотопливо первого поколения легко получить. Сельские жители ставят биогазовые установки, где биомасса бродит под нужной температурой.
Самый традиционный способ и древнейшее топливо – дрова. Сейчас для их производства сажают энергетические леса из быстрорастущих деревьев, тополя или эвкалипта.
Итак, мировое потребление энергии растет. И традиционные энергоресурсы могут закончиться, поэтому люди всерьез занимаются разработкой использования возобновляемой энергии. Эту энергию еще называют «зеленой энергией» из-за минимального влияния на экологию. На данный момент страна-лидер по возобновляемым источникам энергии – это США. Но и ряд других стран, таких как Китай, Япония и Индия с каждым годом наращивают свой потенциал в этой сфере. Международная группа ученых считает, что большинство стран могут полностью перейти на возобновляемую энергию к 2030 г. В основном генерируемая энергия производится для производства электричества, тепла, механической энергии. Для этого строят специальные станции, изобретают необходимое оборудование. Часто оно дорогостоящее.
Глава 2. Альтернативная энергия и способы ее получения в домашних условиях
2.1 Альтернативная энергия в повседневной жизни.
В быту для получения возобновляемой энергии широко используют следующие устройства: солнечные батареи; тепловые насосы; ветрогенераторы для дома.
Высокая стоимость, как самих устройств, так и проведения монтажных работ, останавливает многих людей на пути к получению кажущейся на первый взгляд бесплатной энергии. Окупаемость приобретенного оборудования может достигать 15-20 лет. Однако, считаю, что это не повод лишать себя экономической выгоды. Ведь все эти устройства можно изготовить и установить самостоятельно.
Солнце является основным источником энергии для нашей планеты. Эту энергию можно использовать как в промышленности, так и в быту. Но обычно, говоря об использовании энергии Солнца, мы подразумеваем либо солнечные панели, собирающие тепло светила, либо фотоэлектрические батареи, преобразующие солнечный свет в электричество.
Сегодня существует много способов использования солнечных панелей и фотоэлектрических батарей или батареек, начиная от питания карманных калькуляторов и заканчивая гигантскими солнечными панелями в пустынях, способные обеспечить энергией целый город.
В настоящее время солнечные панели и фотоэлектрические батареи дают менее 0,5% всей энергии, потребляемой на Земле, но этот процент постепенно увеличивается по мере снижения стоимости энергетических солнечных устройств.
Солнечные панели, которые иначе называют коллекторами, используют солнечный свет для выработки тепла. Они изготовлены из стали, стекла и пластика и могут нагревать воду и воздух. Внутри их есть темный, поглощающий солнечные лучи слой, который нагревается и передает тепло в трубки, прикрепленные к панели, по ним проходят вода или воздух.
Есть солнечные коллекторы, имеющие форму «тарелки», эффективную для накопления солнечной энергии. Одни собирают солнечный свет для последующей выработки электричества с помощью фотоэлектрических батарей. Другие нагревают воду, используемую в промышленности, либо создают пар для работы турбин, обеспечивающих работу электрических генераторов, некоторые «тарелки» способны «отслеживать» путь Солнца, поворачиваясь к светилу по мере его движения по небосводу [8].
Во многие небольшие электронные устройства, например, калькуляторы, встроены маленькие солнечные батарейки. Они служат для них нескончаемым источником энергии. Каждая из таких батареек представляет собой кремниевую пластинку, похожую на кремневые чипы, используемые в компьютерах. Как только на пластинку попадает солнечный свет, электроны начинают двигаться внутри ее, вырабатывая малый электрический ток.
Солнечную энергию люди стараются использовать и для обогрева домов, в электромобилях.
Солнечная энергия распределяется по длинам волн, которые излучаются Солнцем. Длиной волны называется расстояние между двумя ее верхними или нижними точками. В зависимости от того, насколько волна длинная, определяется количество ее энергии.
Отдельно хочется рассказать, как в данный момент используют нетрадиционные источники энергии в г. Омске. В нашем городе установлены светофоры, использующие для питания солнечные батареи, поэтому они не нуждаются в подключении к электросетям. Единственный желтый сигнал светофора работает в мигающем режиме, информируя водителей о приближении к пешеходному переходу. В основном их устанавливают вблизи школ. И таких светофоров в Омске уже 23.
Также в Омске в 2023 г. будет построена солнечная электростанция. мощностью 15 мегаватт. Данная станция сможет обеспечить электроэнергией 16 000 квартир. Станцию планируют возвести на севере Омска. И это не первая электростанция в нашем регионе. Ранее уже были построены и успешно работают две солнечные электростанции в Русско-Полянском и Нововаршавском районах.
Солнечные дома успешно существуют в нескольких странах мира. Когда солнечные лучи освещают крышу дома, то электрический ток от солнечных элементов заряжает большие электрохимические аккумуляторы, спрятанные под домом и зажигающие вечером уютные лампы в доме. Ведь альтернативными источниками энергии можно пользоваться как в промышленных масштабах, так и производить их в домашних условиях, это я хочу рассмотреть опытным путем во втором параграфе.
2.2 Получение альтернативной нетрадиционной энергии в домашних условиях.
Далее для получения альтернативной нетрадиционной энергии в домашних условиях я провел серию опытов. Задача опытов заключалась в том, чтобы наглядно увидеть, как можно самому получить альтернативную энергию дома и сделать самостоятельный вывод о возможностях ее применения в разных сферах.
Опыт 1. Солнечная батарея.
Цель данного опыты заключалась в том, чтобы найти самый эффективный способ поглощения солнечного тепла.
Мне понадобились 2 пластиковые бутылки, 2 резиновых шарика, черная и белая краска, солнечный свет (или настольная лампа).
Я выкрасил одну бутылку в белый цвет, а другую в черный (приложение, фото 1). На горло бутылок я надел воздушные шарики и поместил их в светлое место.
Через некоторое время я увидел, как шарик, который находился на черной бутылке начал надуваться, так как воздух внутри него начал расширяться (приложение, фото 2).
Я перенес бутылки в темное место, и шарик постепенно сдулся (приложение, фото 3).
Некоторые солнечные коллекторы состоят из параболических (искривленных) зеркал, которые фокусируют солнечные лучи и тем самым усиливают их тепло.
Я решил продолжить эксперимент и изготовил такое зеркало из фольги и картона. Данное зеркало я разместил позади бутылок (приложение, фото 4). И увидел, что шарики надулись быстрей, чем в эксперименте без зеркала (приложение, фото 5).
Проведя данный опыт, я пришел к выводу: черный цвет способен поглотить больше тепла, чем белый, а это, в свою очередь, преобразуется в большее количество энергии и тепла. Можно дальше продолжить эксперимент, выкрасив бутылки в другие цвета (желтый-фиолетовый, розовый-синий).
Опыт 2. Солнечная печь.
Для проведения следующего опыта я взял прямоугольную картонную коробку из-под обуви, алюминиевую фольгу, конфеты типа маршмеллоу.
Я обернул блестящей стороной фольги внутреннюю поверхность коробки (приложение, фото 6). В коробке сделал специальные полукруглые вырезы, так как солнечные лучи будут хорошо отражаться от согнутой блестящей поверхности и фокусироваться на палочке с конфетами. Взял деревянную палочку, на которую предварительно надел конфеты маршмеллоу. Коробку поставил на улицу в солнечный день (приложение, фото 7).
В ходе эксперимента маршмеллоу начали плавиться (приложение, фото 8,9).
Я делаю вывод: тепловую энергию солнца можно использовать для приготовления пищи. Можно не только расплавить конфеты, шоколад, но и подогреть еду.
Также для фокусировки солнечных лучей можно использовать увеличительное стекло.
Опыт 3. Ветрогенератор из кулера.
Для проведения данного опыта мне необходимо, кулер (от компьютера), провод, светодиодная лампочка и фен (приложение, фото 10).
С помощью фена я заставил кулер крутить лопасти, а он в свою очередь зажег светодиодную лампочку (приложение, фото 11).
Я пришел к выводу, что ветряная энергия (в данном случае с помощью фена) обладает достаточной силой, чтоб зажечь светодиодную лампочку, но сильно слаба для полноценного освещения комнаты.
Заключение
Проведя данное исследование, я выяснил, какие бывают виды альтернативной энергии, и как их можно получить в домашних условиях. Узнал, что область применения возобновляемых источников энергии очень широка. Способы ее применения разнообразны. Она нужна не только для промышленных целей, но и в простых домах.
Мировые и российские запасы традиционных высокоценных энергоносителей – нефти, природного газа, урана – исчерпаемы. Выбросы и сбросы загрязнений в окружающую среду превышают допустимые значения и могут вызвать необратимые планетарные кризисы. Неуклонно растут цены на энергоносители и соответственно тарифы на электрическую и тепловую энергию.
Ежегодно возрастет уровень энергопотребления в развивающихся странах. В этих условиях базовая отрасль мирового народного хозяйства – энергетика – вынуждена осваивать нетрадиционные и возобновляемые источники энергии – солнца, ветра, воды, геотермальную, приливов и отливов.
Благодаря проведенным опытам я наглядно доказал, что альтернативные источники энергии можно получить в домашних условиях. Энергия солнца доступна каждому. Тем самым я подтвердил выдвинутую мной гипотезу.
Список использованной литературы и источников
1. Альтернативная энергия. https://altenergiya.ru/bio/bioenergetika-vozrozhdenie.html (дата обращения 04.09.2021)
2. Безруких П.П., Безруких П.П. (мл.), Грибков С.В. Ветроэнергетика: Справочно методическое издание / Под общей редакцией П.П.Безруких. — М.:«Интехэнерго-Издат», «Теплоэнергетик», 2014 — 304 с. - С. 143-144
3. Большая энциклопедия знаний/Пер. с немецкого Л.С. Беловой, Е.В. Черныш. – М.:Эксмо, 2014. – 344с. – С.106-106, 118, 126-127
4. Ветреная энергетика «НАУКА И ЖИЗНЬ» №7, 2013 • ЭНЕРГЕТИКА
https://elementy.ru/nauchnopopulyarnaya_biblioteka/432179/Vetrenaya_vetryanaya_energetika (дата обращения 14.08.2021)
5. Галилео. Наука опытным путем. – выпуск 2 – 2011. – С. 12-13
6. Галилео. Наука опытным путем. – выпуск 70 – 2013. – С. 9-10
7. Как альтернативные источники энергии помогают получать тепло и электричество. https://invlab.ru/texnologii/alternativnaya-energiya/ (дата обращения 04.09.2021)
8. Кундас, С. П. Возобновляемые источники энергии: монография / С. П. Кундас, С. С. Позняк, Л. В. Шенец; МГЭУ им. А. Д. Сахарова. – Минск : МГЭУ им. А. Д. Сахарова, 2009. – 315 с. – С. 83-85, 120, 180
9. Лабейш В.Г. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии:
Учеб. пособие. - СПб.: СЗТУ, 2003.-79 с. – C. 4-6
10. Универсальная научно-популярная энциклопедия
https://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/tehnologiya_i_promyshlennost/GIDROENERGETIKA.html (дата обращения 04.09.2021)
11. https://ru.wikipedia.org/wiki/Возобновляемая_энергия (дата обращения 06.09.2021)
12. https://ru.wikipedia.org/wiki/Ветроэнергетика (дата обращения 06.09.2021)
Приложение
Фотографии опытов получения альтернативных источников энергии.
Фото 1. Опыт 1. Солнечная батарея.
Фото 2. Шарик на черной бутылке стал надуваться.
Фото 3. Бутылки находятся в темном месте.
Фото 4. Использование параболического зеркала.
Фото 5.
Фото 6. Подготовка к эксперименту.
Фото 7.
Фото 8,9
Фото 10.
Фото 11.