III Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Солнечная энергия

Вид

Энергия

Причина возникновения

Преимущества

Недостатки

Солнечная

Электромагнитное излучение Солнца.

Термоядерный реакция превращения водорода в гелий.

1. Возобновляемость;

2. Изобилие;

3. Постоянство;

4. Доступность;

5. Чистота;

6. Экономичность;

7. Универсальность.

1. Дороговизна;

2. Непостоянство;

3. Незначительное загрязнение;

4. Применение дорогих и редких материалов;

5. Малая мощность;

6. Сложный процесс аккумуляции энергии;

7. Необходимость использования больших площадей;

8. Неэффективность.

9. Дополнительные энергозатраты.

Преимущества и недостатки солнечной энергии.

Солнечная энергия является одним из нетрадиционных источников энергии не случайно. Главным отличием Солнца от остальных источников энергии является возобновляемость и постоянство. Независимо от любой деятельности человечества Солнце будет долго направлять свою энергию в сторону нашей планеты. Вот только будет ли доходить эта энергия до нас постоянно и в нужном нам количестве? Плохие погодные условии могут помешать доступу солнечной энергии, в этом заключается непостоянство этого вида энергии, а точнее, непостоянство выработки солнечной энергии электростанциями данного вида.

О количестве поступающей энергии можно не беспокоиться, её хватает на все нужды человечества с огромным запасом, поэтому мы может говорить об изобилии данного источника энергии. Солнечная энергия доступная, особенно в широтах, ближе к экваториальным, чистая, экономичная, т.к. позволяет восполнить небольшие затраты энергии частного собственника, что помогает ему меньше использовать энергии из общей электросети. Солнечная энергия универсальна: солнечные батареи используются практически везде, начиная от обычных калькуляторов и часов и заканчивая космическими станциями и спутниками.

Но разработка солнечной энергии началась сравнительно недавно, создание солнечных батарей требует огромных затрат и усилий, а для обслуживания батарей также необходима энергия. Главными компонентами современных солнечных батарей являются кремний, индий, теллур, медь и кадмий. Если кремний и медь можно добыть в больших объёмах, то остальные металлы редкие и дорогие. При создании и утилизации батарей загрязняется окружающая среда, т.к. многие компоненты ядовиты. Эффективность батарей редко доходит до 20%. Остальная энергия, получаемая батареями (80%), нагревает их, из-за этого требуется энергия на их охлаждение. Мощность батареи зависит от её площади, поэтому для добычи энергии промышленными масштабами необходимы огромные пространства для солнечных батарей. Из-за непостоянства получаемой энергии (см. выше.) для обеспечения человека энергией в любое время необходимо её аккумулировать, что снова требует затрат уже для создания аккумуляторов.

Ветровая энергия

Вид

Энергия

Причина возникновения

Преимущества

Недостатки

Ветровая

Кинетическая энергия ветра.

Термоядерный реакция превращения водорода в гелий

нагревание слоёв атмосферы

движение воздушных масс вследствие конвекции.

1. Чистота;

2. Возобновляемость;

3. Эргономичность;

4. Экономичность.

1. Непостоянство;

2. Дороговизна;

3. Маломощность;

4. Вред и опасность для окружающей среды и человека;

5. Шум;

6. Радиопомехи;

7. Малодоступность;

8. Дополнительные энергозатраты.

Преимущества и недостатки ветровой энергии.

Говоря об энергии ветра, стоит заметить, что люди научились ею пользоваться ещё в Средние века. Первые мельницы, перемалывающие зерна в муку, работали благодаря рекам и ветру.

Этот источник энергии чистый и возобновляемый. Из года в год повторяется движение воздушных масс: их скорость, направление, время. По данным метеорологов мы можем понять, что ветра непостоянны и мы не можем получать ежедневную выгоду из ветряных электростанций. Также бывают дни, когда ветряная электростанция вырабатывает энергию больше своей нормы, больше 100%. В этом заключается главный недостаток ветровой энергии – она непостоянна. Максимальный кпдη по закону Беца, открытым немецким физиком Альбертом Бецом в 1919 году, не может превышать 59,3%. На практике же мы получаем ещё меньше энергии, т.к. максимальный η возможен лишь при непрерывном ветре, а ветер – непостоянен. Отсюда можно судить о маломощности ветряных электростанций. В купе с дороговизной устанавливаемых мельниц (1,04 млн евро за 1 МВт по данным 2010 года) в общий список недостатков входят такие проблемы как вредное воздействие ветрогенераторов на некоторых животных особей и человека, возникновение радиопомех в зоне действия ветрогенератора, невозможность повсеместного использования и дополнительные энергозатраты на ветрогенераторы, т.к. в случае безветренной погоды аккумуляторы, запасающие энергию ветра, начинают разряжаться, и их срок службы существенно снижается.

Ветрогенераторы сильно «шумят», создавая низкочастотные звуки, отрицательно влияющие на животных и человека, поэтому данные установки находятся в отдалении от населённых пунктов, а при массовом перелёте птиц во избежание их столкновения с лопастями ветрогенераторы временно выключают.

Но есть и пара плюсов. Использование ветрогенераторов частично помогает восполнять энергозатраты человека. Установка возможна в труднодоступных местах: горах, арктических островах. При правильном подходе дизайнеров, ветрогенератор может прекрасно вписаться в окружающий его пейзаж и выглядеть эргономично.

Приливная энергия

Вид

Энергия

Причина возникновения

Преимущества

Недостатки

Приливная

Кинетическая энергия воды в морях и океанах.

Движение Земли и Луны.

1. Экологичность;

2. Возобновляемость;

3. Экономичность;

4. Многофункциональность.

1. Дороговизна;

2. Переменная мощность;

3. Вред окружающей среде.

Преимущества и недостатки приливной энергии.

Вследствие огромной энергии волн и приливов человеку пришла мысль использовать эту энергию в своих нуждах. Приливные электростанции являются многофункциональными: помимо выработки энергии они регулируют уровень воды рек (если это речные ПЭС), защищают побережье от разрушительной силы сезонных приливов. Данный вид энергии является возобновляемым и помогает восполнять энергозатраты прибрежных поселений.

Но установка одной такой электростанции требует огромных затрат. Т.к. приливы непостоянны (периодические), мощность ПЭС сильно меняется в течение суток, из-за чего такая электростанция может работать только в составе энергосистемы, способной совладать с переменной мощностью.

При создании ПЭС были обнаружены и экологические проблемы: они нарушают нормальный обмен соленой и пресной воды и тем самым - условия жизни морской флоры и фауны. Влияют они и на климат, поскольку меняют энергетический потенциал морских вод, их скорость и территорию перемещения.

Биотопливная энергия

Вид

Энергия

Причина возникновения

Преимущества

Недостатки

Биотопливная

Тепловая энергия от горения биотоплива

Биотопливо: процесс ферментации и сбраживания органических веществ.

1. Огромные потенциальные запасы;

2. Взаимное развитие агропромышленного и сельскохозяйственного комплекса, биотопливной энергетики;

3. Эффективное использование отходов, побочных продуктов;

4. Улучшение экологической обстановки в связи с утилизацией отходов.

1. Риск оскудения и эрозии почв;

2. Риск загрязнения среды.

Преимущества и недостатки биотоплива.

Вокруг нас огромные запасы потенциальной энергии. В данный момент речь пойдёт о биотопливе. Под биотопливом могут подразумеваться и обычные дрова, и сложные органические соединения (спирты, алканы, алкены и др.) и всё вокруг, что возникло вследствие жизнедеятельности организмов. Но с дровами и органикой всё понятно – они горючи, а, следовательно, с помощью них можно получить необходимую нам энергию. Что насчёт обычных отходов, растительных и животных останков? При желании их тоже можно сжечь, но пользы от этого будет очень мало, возможен даже вред из-за высвобождения различных органических и неорганических ядовитых соединений в процессе горения. Учёные обнаружили, что с помощью ряда химических и физических преобразований возможно с максимальной пользой использовать биотопливный материал. Например, с помощью ферментации или сбраживания, можно получить простые спирты, углеводороды (этиловый спирт, метан и др.) и углекислый газ.

Главное достоинство биотоплива это возможность его создания из практически любых продуктов биосферы. А их очень много. И их может быть ещё больше и в любом составе, как пожелает человек, если будут развиты агропромышленный комплекс и сельское хозяйство. Из разного биотопливного материала можно добыть разное количество самого топлива. Человек может выращивать самые эффективные для добычи энергии биоматериалы (например, сорго (злаки) или сахарный тростник). Отходы от жизнедеятельности человека также можно использовать в добыче необходимых органических соединений. И чем больше отходов будет использоваться, тем чище будет на планете.

Но при неправильных технологиях добычи биотоплива возможно и наоборот загрязнение окружающей среды. Если соблюдать все правила при разработке биотоплива, ничего плохого не случится. При постоянном пользовании земли возможно оскудение и эрозия почв. И снова становится ясно, что необходимо соблюдать правила: нужно периодически обогащать почву удобрениями.

Энергия малых рек

Вид

Энергия

Причина возникновения

Преимущества

Недостатки

Энергия малых рек

Кинетическая энергия движения вод малых рек.

Перепад высот в русле реки, действие силы тяготения.

1. Большой потенциал рек на территории России;

2. Простота в использовании и построении оборудования;

3. Экологичность;

4. Экономичность;

5. Дешевизна оборудования;

6. Постоянство в получении энергии;

7. Возобновляемость.

1. Малая мощность.

Преимущества и недостатки энергии малых рек.

Стоит заметить, что технологии построения МЭС – малых электростанций – была давно изобретена и использовалась в СССР и других странах с середины XX века. Однако с развалом Советского Союза в РФ постепенно забыли об этом простом и надёжном источнике энергии.

На сегодняшний день на территории РФ работают около нескольких сотен МЭС, что очень мало в сравнении с потенциальным количеством таких электростанций. Большое развитие эта отрасль энергетики может получить в горных территориях РФ (Кавказ, Урал, Южная Сибирь). Строить МЭС очень просто и дёшево (одна средняя МЭС стоит около 18 млн. руб), и окупаются они быстро. Они не влияют нажизнь водных организмов, окружающий ландшафт и вообще окружающую среду. Ну и, конечно же, получать энергию рек можно постоянно, скорость и мощность речного потока за год практически не меняется (исключение – зима, река может замерзнуть).

Единственный существенный недостаток таких электростанций является относительная маломощность (от 5 до 100 кВт). Но МЭС вполне может обслуживать энергией малый город и близлежащими поселениями.

РФ имеет огромный потенциал в получении энергии МЭС. Быстрых и достаточно полноводных рек в стране много. Осталось лишь построить электростанции, и перед нами откроются большие запасы дешёвой, экологически чистой, неисчерпаемой энергии.

Энергия волн

Вид

Энергия

Причина возникновения

Преимущества

Недостатки

Волновая

Кинетическая энергия волн океанов и морей.

Вращение Земли, океанические течения, ветер.

1. Экологичность;

2. Эстетичность;

3. Возобновляемость;

4. Относительное постоянство;

5. Многофункциональность;

6. Большой потенциал.

1. Опасность для безопасного плавания;

2. Замедление Земли;

3. Хрупкость.

Преимущества и недостатки энергии волн.

Человека всегда пугала и внушала уважение сила морей и океанов – волны. Волны, которые могут отнести нерадивого рыбака или пловца далеко в море, волны, которые могут сокрушать целые прибрежные города и селения, и волны, которые на данный момент могут подарить нам необходимую энергию. Человечество уже с XVIII века пыталось обуздать волны, но первая ВЭС появилась лишь в 2008 году в Португалии.

ВЭС экологичны, при желании их можно скрыть под водой, и они не будут мешать своим видом любоваться морем. Невозможно представить, что Земля внезапно остановится, а ветра утихнут, и волн не станет, энергия волн возобновляемая. Но представьте себе сотни, тысячи таких электростанций по всему миру, и риск замедления Земли становится не таким уж абсурдным.

Во время штиля энергию вырабатывать такие электростанции не будут, зато во время больших штормов специально оборудованная на такие ситуации ВЭС сможет ослабить силу волн и обезопасить прибрежные территории от неукротимой стихии. Необорудованные для штормов и сильных волн волновые электростанции могут запросто разрушиться под их натиском. В эту же очередь ВЭС сами по себе могут нести угрозу малым и большим судам из-за их неприметности, поэтому при установке ВЭС нужно тщательно продумать размещение и обозначение таких электростанций на картах и в море.

У ВЭС огромный потенциал, т.к. многие территории на планете могут похвастаться сильными и постоянными волнами.

Геотермальная энергия

Вид

Энергия

Причина возникновения

Преимущества

Недостатки

Геотермальная

Тепловая энергия горячей воды, горячего пара.

Тепловая энергия недр Земли.

1. Возобновляемость;

2. Постоянство;

3. Экологичность.

1. Токсичность вод – усложнение процесса возобновляемости цикла;

2. Необходимый процесс закачки воды для повторения цикла;

3. Малая распространённость возможных мест добычи геотермальной энергии;

4. Хрупкость.

Преимущества и недостатки геотермальной энергии.

Представьте себе удивление первых путешественников, обнаруживших столпы горячей воды, вырывавшейся из земли. Горячие, мощные фонтаны были лишь достопримечательностью до тех пор, пока человек не научился использовать геотермальную энергию во благо себе.

Геотермальные установки экологичны, возобновляемы – имеют свой собственный цикл восстановления, и постоянны. Но мест, где можно было бы добывать эту энергию, мало, обычно они находятся на месте стыка двух тектонических плит. Из-за сейсмической активности всё «месторождение» энергии может в один момент «захлопнуться». Т.к. многие геотермальные источники используют в качестве теплоснабжения, вода в скважине может закончиться, из-за чего её нужно заново закачивать внутрь. Вода из скважины порою токсична, из-за чего обычный сброс воды в наземные водоёмы не осуществим.