IV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

СВОБОДНАЯ ЭНЕРГИЯ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Осипов И.А. 1

---

1

Кузякина Е.А. 1

---

1

Работа в формате PDF

613.9 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Люди активно сжигают уголь, нефть, газ, но ведь когда-нибудь все это закончится. Значит нужно найти новый источник энергии, который не зависел бы от исчерпаемых ресурсов. В связи с этим на сегодняшний день в мире все чаще и чаще можно услышать о без топливной энергетике, а именно о бестопливных энергетических технологиях. Под бестопливными энергетическими технологиями притято понимать нетрадиционные технологии(альтернативные источники) получения электрической, механической или тепловой энергии, не использующие углеродное или ядерное горючее, а также такие природные источники энергии, как Солнце, ветер, поток воды или геотермальное тепло и т.д.

Цель данного проекта рассмотреть альтернативные источники энергии, которые на сегодняшний день практически не используются.

Задачей этого проекта - представить малоизвестные и более эффективные источники свободной энергии, чем простые солнечные батареи и ветряки, сделать вывод об их использовании.

Данной проблемой занимались Манкинс, Германович и другие ученые, а также командой физиков во главе с доцентом Школы механической инженерии Баратунде Кола (Baratunde Cola)

Наиболее широко известным способом преобразования энергии солнечного света в электроэнергию является фотоэлектрические панели. Данный вид является относительно новым, но уже разрабатываются другие устройства, способные выполнять такие преобразования – ректены.

Ректенна (от англ. rectifying antenna — выпрямляющая антенна) — устройство, представляющее собой нелинейную антенну, предназначенную для преобразования энергии поля падающей на неё электромагнитной волны в энергию постоянного тока. Простейшим вариантом конструкции может быть полуволновый вибратор, между плечами которого устанавливается устройство с односторонней проводимостью (например, диод). В таком варианте конструкции антенна совмещается с детектором, на выходе которого, при наличии падающей волны, появляется ЭДС¹.

Данное устройство было разработано в рамках исследований по беспроводной передачи энергии на большое расстояние без значительных потерь энергии. В 1976 году американскому физику Вильяму Брауну удалось передать СВЧ-пучком мощность 30 кВт на расстояние в 1 милю (1,6 км). Коэффициент полезного действия (КПД) ректенны в этом эксперименте был чуть больше 80 %, что всё же ниже КПД линий электропередач.

Рисунок 1 Схема оптической ректены собранной командой физиков во главе с доцентом Школы механической инженерии Баратунде Кола (Baratunde Cola)

Звездная батарея – усовершенствованная солнечная батарея, основанная на гетероэлектриках. Гетероэлектрик – вещество в основе которого лежат нано частицы серебра и золота. Оно работает как линза, только оно не фокусирует свет, а загоняет «размазанный» в широком спектре электромагнитных волн солнечный свет на одну волну, тем самым повышая эффективность батареи в несколько раз. КПД звездной батарее составляет 54% при видимом свете и 31% в инфракрасном спектре. Таким образом данное устройство способно работать при любой погоде и даже от света звёзд, за что и получила своё название. Гетероэлектрики были разработаны учеными Научного центра прикладных исследований (НЦеПИ) Объединенного института ядерных исследований.

В 2003 году в программе «Время» можно было увидеть репортаж об этих батареях, однако до сих пор они не появились в продаже.

Наноантенна (нантенна) — устройство преобразования солнечной энергии в электрический ток, построенное по принципу выпрямляющей антенны, но работающее не в радиодиапазоне, а в оптическом диапазоне длин волн электромагнитного излучения. Идея использования антенн для сбора солнечной энергии была впервые предложена Робертом Бейли в 1972 году.

Наноантенна является коллектором электромагнитного излучения, предназначенным для поглощения энергии определенной длины волны, пропорциональной размеру наноантенны. В настоящее время Национальная лаборатория штата Айдахо разработала наноантенны для поглощения длин волн в диапазоне 3-15 мкм, что соответствуют энергии фотонов 0.08-0.4 эВ. На основе теории антенн наноантенна может эффективно поглотить свет любой длины волны при условии, что размер наноантенны оптимизирован под конкретную длину волны. В идеале наноантенны лучше всего использовать для поглощения света на длинах волн 0.4-1,6 мкм, потому что эти волны имеют большую энергию, чем инфракрасные (длинные волны), и они составляют около 85% солнечного спектра излучения.

Рисунок 2 Спектральная плотность облучения солнечного света. Красная область показывают плотность облучения на уровне моря. Провалы в ней объясняются поглощением света в атмосфере.

Космическая энергетика — вид альтернативной энергетики, предусматривающий использование энергии Солнца для выработки электроэнергии, с расположением энергетической станции на земной орбите или на Луне.

Идея проста. Так как на земной орбите или Луне нет атмосферы, ничто не препятствует солнечному свет. Однако возникает проблема транспортировки этой энергии на Землю. Тут есть два варианта. Первый – использование лазера. Второй – использование ректенн, о которых было сказано ранее.

Изначально идея появилась в 1970-х годах. Появление такого проекта было связано с энергетическим кризисом. В связи с этим правительство США выделило 20 миллионов долларов космическому агентству NASA и компании Boeing для расчёта целесообразности проекта гигантского спутника SPS (Solar Power Satellite).

Грозовая энергетика — это способ получения энергии путём поимки и перенаправления энергии молний в электросеть. В 2006 году специалисты, работающие со спутником NASA «Миссия измерения тропических штормов», опубликовали данные по количеству гроз в разных регионах планеты. По данным исследования стало известно, что существуют районы, где в течение года происходит до 70 ударов молний в год на квадратный километр площади. Однако такой источник энергии крайне ненадежный, так как нельзя предугадать куда ударит молния.

Рисунок 3 Глобальная карта частоты молний. Шкала сбоку показывает количество молний в год на каждый квадратный километр

Осмотическая электростанция — стационарная энергетическая установка, основанная на принципе диффузии жидкостей (осмос). Осмотическая электростанция берёт под контроль смешивание солёной и пресной воды, тем самым извлекает энергию из увеличивающейся энтропии жидкостей. Смешивание проходит в резервуаре, который разделен на два отсека полупроницаемой мембраной. В один отсек подается морская вода, а в другой пресная. За счёт разной концентрации солей в морской и пресной воде, молекулы воды из пресного отсека, стремясь выровнять концентрацию соли, переходят через мембрану в морской отсек. В результате этого процесса в отсеке с морской водой формируется избыточное давление, которое в свою очередь используется для вращения гидротурбины, вырабатывающей электроэнергию.

Разработкой данной установки занималась норвежская компания Statkraft.

Рисунок 4 Осмотическая электростанция

В некоторых районах давление как правило повышенное, а в других пониженное. Если провести из района с повышенным давлением трубу в район с пониженным давлением, то из-за разницы давления (приблизительно в 0,03 атмосферы) в трубе будет постоянный ветер, скорость которого будет превышать скорость звука. Следовательно, можно поместить в такую трубу турбину, вырабатывающую электроэнергию.

Впервые эту идею выдвинул американский инженер Энтони Мамо.

Землю можно разделить на три чести. Первая честь – земная кора. Вторая – атмосфера. Третья – ионосфера. Земная кора имеет отрицательный заряд, ионосфера – положительный заряд. Приблизительная разница потенциалов 300 000 вольт. Атмосфера разделяет их. Следовательно, если промести между ними проводник, по нему пойдет ток.

Рисунок 5 Круговорот электрических зарядов в атмосфере Земли

Человечество практически полностью исчерпало топливные ресурсы. Будущее за альтернативными источниками энергии. В данном проекте были рассмотрены: малоизвестные, но эффективные источники энергии, принцип их работы, сферы применения, их создателей.

Вывод: На мой взгляд, самыми эффективными способами получения энергии являются: звездные батареи, наноантены и извлечение энергии из разницы потенциалов между землёй и ионосферой (если найти легкий способ соединить их). Так, как используя ректенны, мы извлекаем энергию, которую изначально потеряли, звездные батареи просто устарели, при использовании космической энергетики нужно решить проблему транспортировки энергии, если решить эту проблему, то выгоднее будет извлекать «энергию из атмосферы», грозовая энергетика ненадежна и требует дорогостоящего оборудования, осмотическая электростанция может находится только на устье реки, а проведение труб с высоким давлением внутри вызовет множество разнообразных проблем.

Ванке В. А., Лопухин В. М., Саввин В. Л. Проблемы солнечных космических электростанций. — Успехи физических наук, 1977, т. 123, вып. 4.

Германович В. , Турилина А. Альтернативные источники энергии и энергосбережение. Практические конструкции по использованию энергии ветра, солнца, воды, земли, биомассы. — СПб: Наука и Техника, 2014.

Голицын М.В., Голицын А.М., Пронина Н.В.. «Альтернативные энергоносители» Изд. Наука, Москва, 2004 г

Краснок А Е, Максимов И С, Денисюк А И, Белов П А, Мирошниченко А Е, Симовский К Р, Кившарь Ю С Оптические наноантенны // Успехи физических наук. — 2013.

Независимая газета от 24.01.2001. Космический мир.

Манкинс, Джон С. (2008). «Солнечная энергия космического базирования»

Международное энергетическое агентство (МЭА). «Показатели энергоэффективности: основы формирования политики» Изд. МЭА, 2014 г.

Холдинг альтернативной энергетики объявляет о развитии грозовой энергетики.

Четошникова Л.М.. «Нетрадиционные возобновляемые источники энергии» Издательский центр ЮУрГУ, учебное пособие, 2010 г

Интернет ресурсы:

http://www.membrana.ru/particle/14418 - первая в мире осмотическая электростанция

https://www.statkraft.com/ - сайт компании построившей первую осмотическую электростанцию.

1^ ЭДС – электродвижущая сила