II Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Богданов И.Д. 1

---

1

Емельянцева О.В. 1

---

1

Работа в формате PDF

1.3 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Энергия – удивительное явление. Ею пропитан наш мир. Энергия может находиться в людях и животных, в камнях и растениях, в ископаемом топливе, деревьях и воздухе, в реках и озерах. Она поднимает в космос ракеты, движет автомобилями, кораблями и самолетами, зажигает миллионы огней больших городов, приводит в действие огромное количество приборов и механизмов, которые делают нашу жизнь такой комфортной. Энергия дает нам свет, тепло, связь, она обладает безграничными возможностями. Недаром ученые когда-то называли ее «живой силой». И чем дальше в своем развитии продвигается человечество, тем больше ему нужно энергии.

Большую часть энергии сегодня мы получаем, сжигая природное топливо – уголь, нефть, газ. Запасы этих ресурсов на Земле не безграничны. Но сама по себе энергия не может закончиться. Каждый достигающий земли луч солнца, каждое дуновение ветра, каждый всплеск морской волны исправно производят свою порцию энергии. Но мы пока только учимся пользоваться ею, придумывая для этого все новые специальные приборы и технологии.

Актуальность

Главные на сегодня наши источники энергии уголь, нефть и природный газ - ископаемые виды топлива, они образовались в недрах Земли, когда жили динозавры, поэтому и называются они ископаемыми. После разложения микроорганизмов и растений на поверхности земли образовывались один за одним слои, которые затвердевали и превращались в черное каменистое вещество – уголь. А разложившиеся микроорганизмы, накопленные на дне морей и океанов, образовали вязкую жидкость - нефть. Процесс образования ископаемых видов топлива продолжается и сегодня, однако мы их тратим намного быстрее, чем они успевают восстановиться. По этой причине эти виды топлива считаются невозобновляемыми, поскольку их ресурсы могут исчерпаться в недалеком будущем (Схема 1).

Кроме того, добыча и сжигание ископаемых видов топлива для добычи энергии наносит существенный вред земной экологии (изменение природного ландшафта, уничтожение лесов, загрязнение подземных и поверхностных вод, выпадение кислотных осадков и т.д.) Нарушаются места привычного обитания растений и животных.

Среди ископаемых видов топлива особое место занимает уран - ядерное топливо, ресурсы которого могут быть истощены менее чем за 100 лет. Однако, в так называемых реакторах-размножителях, можно получать новый уран. Но здесь существует проблема радиоактивных отходов, которая представляет опасность в течение миллионов лет, а также после Чернобыльской катастрофы, продемонстрировавшей риск, связанный с использованием атомной энергии, большинство правительств стран отказывается от использования атомной энергии.

Схема 1. Невозобновляемые источники энергии.

Поскольку существование человечества зависит от энергии, мы должны использовать такие ее источники, ресурсы которых были бы неограниченными и щадящими для нашей планеты. Такие источники энергии существуют, они называются возобновляемыми.

Цель проекта

Целью нашего проекта является знакомство с понятием возобновляемой энергии и ее источниками, а так же демонстрация опытным путем возможности добычи энергии из доступных нам возобновляемых источников.

Источники возобновляемой энергии

Человечество постоянно открывает все новые источники энергии и изобретает новые способы ее выработки. Люди научились добывать энергию при помощи солнечных лучей, порывов ветра, приливов морей. Энергию вырабатывают из рисовой шелухи, картофеля, банановой кожуры. Можно не сомневаться, что в будущем наши потомки полностью перейдут на альтернативные источники энергии и энергетика станет экологически чистой и абсолютно безопасной для природы и человека. Будущее энергетики – это чистая энергия возобновляемых природных ресурсов (схема 2).

Схема 2. Возобновляемые природные ресурсы.

Энергия Солнца

Современному человеку нужно много энергии. Почему бы не воспользоваться солнечной?!

Земля каждый день получает от Солнца в тысячу раз больше энергии, чем её вырабатывается всеми электростанциями мира. Солнечная энергия проникает во все уголки Земли, ее запасы неисчерпаемы для человечества. Задача здесь состоит в том, чтобы научиться практически использовать хотя бы ее небольшое количество. Нельзя утверждать, что повсеместное использование солнечной энергии не будет иметь совсем никаких последствий для окружающей среды, но все же они будут несравненно меньшими, чем в традиционной энергетике.

Человек уже научился использовать энергию солнца. Кто из нас не видел калькулятора на солнечной батарее? А садового фонарика?

В странах с жарким климатом солнечное тепло уже давно используется для получения тепла и энергии. Солнечные батареи, или фотоэлементы, и солнечные коллекторы устанавливаются на крышах и фасадов домов, полностью обеспечивая их обитателей электроэнергией. А в Германии есть настоящий солнечный город – Фрайбург, где целые районы существуют исключительно за счет альтернативной энергии солнца. И таких примеров в наши дни становится все больше.

Ну а если говорить о промышленных масштабах, сейчас не редкостью являются солнечные электростанции. Это огромные поля, уставленные зеркалами (солнечными батареями), собирающими солнечную энергию, которая затем переводится в электрическую и по проводам разносится потребителям. Солнце светит не всегда, поэтому солнечной электростанции нужен аккумулятор, куда энергия будет «складироваться», чтобы потом, например, ночью или в пасмурный непогожий день, её оттуда можно было «достать». Правда конструкции получаются огромными, занимающими огромные пространства.

Но для человека нет ничего невозможного! Вспомним, что на Земле есть места, где солнце не уходит за горизонт по полгода. Антарктида — огромный материк, практически незаселенный. На каждый квадратный сантиметр за год здесь падает в среднем около 120 килокалорий лучистой энергии. А снега и льды сами являются зеркалами. Почти столько же тепла получает земная поверхность в экваториальной зоне где угол свечения солнца оптимальный. А Японские ученые опровергли теорию о том, что чем выше температура, тем легче получить солнечную энергию. Как они полагают, лучшее место для размещения солнечных станций вовсе не пустыни, а высокогорье. Так солнечные фабрики в горах Гималаях могут выработать на 20% энергии больше чем в пустыне Сахара.

Солнечные электростанции являются оптимальным решением для объектов отдалённых от традиционных источников энергии (на островах, береговых районах, отдалённой от «цивилизации» местности), так как не требуют коммуникаций с центральными сетями.

Энергия ветра

Огромна энергия движущихся воздушных масс. Постоянно и повсюду на земле дуют ветры - от легкого ветерка, несущего желанную прохладу в летний зной, до могучих ураганов, приносящих неисчислимый урон и разрушения. Всегда неспокоен воздушный океан, на дне которого мы живем. Ветры, дующие на просторах нашей Земли, могли бы легко удовлетворить все ее потребности в электроэнергии!

Технология ветряных мельниц известна издревле. И только в 70-х годах прошлого века люди стали придумывать ветряки в качестве источников альтернативной энергии.

Для производства энергии из воздушных потоков применяются специальные механизмы – ветряки, высокие столбы с гигантскими трехлопастными ветротурбинами. Они работают по принципу вентилятора, только наоборот: вместо того, чтобы при помощи электричества производить ветер, они при помощи ветра производят электричество. Ветер вращает лопасти ветряка, приводя в движение вал электрогенератора, который в свою очередь вырабатывает электричество. Ветряные электростанции еще называют «ветряными фермами». Крупные ветряные фермы могут объединять до 100 ветряков. Больше всего таких ферм в Германии. Следом идут Испания и США.

В наши дни к созданию конструкций ветроколеса - сердца любой ветроэнергетической установки - привлекаются специалисты-самолетостроители, умеющие выбрать наиболее целесообразный профиль лопасти, исследовать его в аэродинамической трубе. Усилиями ученых и инженеров созданы самые разнообразные конструкции современных ветровых установок.

Энергия воды

Ручьи и реки текут с верху в низ с гор и холмов в низины и, в конце концов впадают в моря. И заставляет их двигаться сила тяжести. Вода льющаяся, падающая, в общем двигающаяся обладает большим запасом энергии.

Гидроэлектростанции обычно строят на реках, сооружая плотины и водохранилища. В этих сооружениях электричество вырабатывается за счет энергии падающей воды. 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. Под высоким давлением вода поступает на лопасти турбины, которые начинают вращаться, вырабатывая при этом механическую энергию. Механическая энергия затем передается на гидрогенератор, который и вырабатывает электроэнергию.

Также моря и океаны делятся с нами своими энергетическими ресурсами вырабатывая:

• Энергию волн – ее источник - волны в океане, прибрежные волны

• Энергию приливов – источник - приливы моря и океана

• Энергию течений – источник - сильные морские течения.

Биоэнергетика

Биотопливо – это самые разнообразные виды возобновляемых источников энергии. Это отходы различных производств: деревообработки, сельского хозяйства. Да и просто бытовой мусор является ценным источником энергии.

При гниении биомассы (навоз, умершие организмы, растения) выделяется биогаз с высоким содержанием метана, который и используется для обогрева, выработки электроэнергии. Из древесных отходов, торфа и отходов сельского хозяйства делают топливные гранулы.

В последнее время топливом становятся такие источники, которые ранее даже предположительно ими быть не могли. Это навоз с ферм, это перегнившая трава, растительное и животное масло. В продукты переработки этих источников добавляется немного дизельного топлива и получается биотопливо, и далее используется по назначению – для заправки автомобилей! Выхлопы такого топлива во много раз менее токсичны, что особо важно в крупных городах.

Сейчас уже ученые ведут разработку рецептуры и технологии производства биотоплива без добавления дизельного.

Геотермальная энергия - энергия под ногами

Геотермальная энергия существует столько, сколько существует мир. «Гео» значит «земля», а «термо» значит тепло. Следовательно, «геотермальная» - это «тепло земли». Если мы разрежем вареное яйцо, то увидим, что оно выглядит, как Земля изнутри. Желток яйца подобен ядру, белок – мантии Земли, а скорлупа, покрывающая яйцо, - земной коре. Вот верхний слой мантии имеет очень высокую температуру

А около 4 % всех запасов воды на нашей планете сосредоточено под землёй— в толщах горных пород и часто эти воды проходят рядом с горячими породами мантии. Это приводит к тому, что вода закипает и превращается в пар. И из земли начинают бить горячие источники - гейзеры. Эту воду и пар и использую для производства электричества.

Отверстие сверлится до горячей области, пар поднимается вверх и используется для запуска турбин, которые в свою очередь вырабатывают энергию.

Геотермальная энергия является возобновляемым источником энергии, так как тепло постоянно возникает внутри Земли.

Аргументы «против» возобновляемой энергии.

Бесспорно, не все так гладко с развитием отраслей альтернативной энергетики.

Солнечная энергия зависима от погодных условий и времени суток, энергию, которая вырабатывается необходимо аккумулировать. Ветряные установки дорогостоящие, несут шумовое загрязнение, гибель птиц. При работе гидроэлектростанций происходит разрушение экосистем, исчезновение некоторых видов организмов. При хранении биогаза необходимы повышенные требования безопасности. Энергия приливов и отливов несет с собой нарушение миграции рыб, да и производство располагается далеко потребителя. Но, несмотря на наличие определенных минусов источники возобновляемой энергии без сомнения перспективны.

Научно – исследовательская часть

Вторая часть нашего проекта посвящена практическим опытам. Мы попробуем опытным путем продемонстрировать возможности добычи энергии из доступных нам вышеупомянутых возобновляемых источников.

Опыт №1 Энергия Солнца

Цель: Преобразование солнечной энергии в электрическую с использованием солнечных элементов.

Для опыта нам понадобится:

1. Солнечный элемент - для преобразования энергии света в электрическую (мы используем солнечный элемент от сломанного садового фонаря)

2. Соединительные провода

3. Светодиод (лампочка) - для демонстрации полученной электроэнергии

4. Настольная лампа - наше солнце

5. Вольтметр - прибор для измерения показателей тока.

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.

Мы собрали солнечную батарею, состоящую из двух элементов, подключили к ней светодиод. Направляем на неё поток света нашего солнца - настольной лампы. Светодиод загорается – значит, мы смогли добыть электричество из солнечного света.

Чтобы узнать, сколько электроэнергии мы можем получить от этой батареи, подключаем к электродам прибор – вольтметр.

Гипотеза: Производительность солнечной батареи ограничена не только максимальными параметрами (мощность, тип фотоэлементов, их количество, размеры, размер самой батареи), но и средой в которой она работает. В зависимости от яркости и угла падения света будут меняться показатели тока.

Для того чтобы показать как яркость света влияет на выработку электроэнергии солнечной батарей, мы изменяем высоту настольной лампы над поверхностью батареи. Измеряем показатели.

В Таблице 1 можно увидеть изменения параметров тока выработанного солнечной батареей в зависимости от расстояния от лампы до солнечной батареи.

Таблица 1

На основании наших замеров можно однозначно заявить, что при наличии благоприятных условий солнечные батареи быстро и эффективно поглощают солнечную энергию и вырабатывают ток.

Вывод: Мы опытным путем собрали систему преобразования солнечной энергии в электрическую, а так же узнали о влиянии силы света на показатели работы солнечной батареи.

Опыт №2Энергия ветра

Цель: Изучить и опытным путем продемонстрировать возможность преобразования механической энергии сил природы в электрическую.

Для опыта нам понадобится:

1. Генератор – устройство превращающее механическую энергию (вращение) в электрическую (мы используем генератор от карманного фонаря с возможностью подзарядки)

2. Светодиод (лампочка) - для демонстрации полученной электроэнергии

3. Вентилятор (ветряк) для вращения ротора генератора от силы ветра

4. Крепежные элементы

Генераторами называют электрические машины, преобразующие механическую энергию в электрическую.

Принцип действия генератора.

В генераторе установлены магниты, между которыми возникает магнитное поле. Если в магнитном поле перемещать проводник так, чтобы он пересекал магнитный поток, то в проводнике возникнет электродвижущая сила. Направленное движение электронов в проводнике - ток.

Привести генератор в действие можно различными методами: вращением турбины гидроэлектростанции под действием напора воды или вращением лопастей ветрогенератора установленного на пути мощных воздушных потоков, и даже крутя колеса велосипеда, если на нем установлен велосипедный генератор.

Мы собрали действующий макет ветрогенератора, состоящий из генератора, светодиода, ветряка и крепежных элементов.

Закрепляем генератор на стойке таким образом, чтобы лопасти могли свободно вращаться. Для имитации ветра достаточно подуть в сторону пропеллера.

Под действием воздушного потока пропеллер начинает вращаться, приводя в движение вал генератора. Магнитное поле внутри генератора вызывает направленное движение электронов (ток) в проводниках вращающихся на валу. Нам остается только подключить светодиод к генератору, чтобы показать как используя силу ветра получить электроэнергию.

Ветер дует - ветряк крутится - генератор вырабатывает ток - светодиод горит.

В процессе работы над проектом, и знакомством с различными источниками энергии мы столкнулись с таким понятием как «растительная (зеленая) батарейка» и тоже решили немного поэкспериментировать.

Опыт №3 «Зеленая батарейка»

Цель: Изучить и опытным путем продемонстрировать возможность преобразования химических процессов в электрическую энергию.

В опыте №3 мы воспроизведем работу обычной батарейки подручными средствами и сталкиваемся с понятием Химический источник тока, в котором энергия химических реакций напрямую превращается в электрическую энергию. Любой химический источник тока содержит в себе три обязательных компонента - два электрода, с которых снимается ток и агрессивную среду - электролит.

При последовательном соединении нескольких яблок мы видим, что показатели тока возрастают (Таблица 2), однако, этого все ещё не достаточно, чтобы включить светодиод.

Таблица 2

Мы предположили, что содержание цинка и меди в ключах минимальное, поэтому чтобы продолжить опыт, решили заменить металлические ключи на детали конструктора, предположительно покрытые цинком и убрать соединительные провода тем самым сократить путь току.

Подключаем к электродам светодиод – он загорается, соответственно тока достаточно.

Вывод: Из подручных предметов мы собрали действующий химический источник тока – «Зеленую батарейку», а также выяснили, что различные металлы, находясь в агрессивной среде, высвобождают электрическую энергию.

Заключение

Итак, в проведенных опытах мы узнали о энергии, окружающей нас повсюду, показали как окружающая среда нашей планеты позволяет нам воспользоваться ее неиссякаемыми ресурсами.

Приручив энергию земли, воды, ветра и солнца, мы перестанем загрязнять окружающую среду и сэкономим ценные ископаемые ресурсы.

И пусть пока доля возобновляемой «зеленой энергии» в мировой энергетики невелика, но за ней будущее. И каким оно будет, зависит в частности и от нас с вами.

19