VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Альтернативные источники энергии
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Проблема
Консервативное отношение большинства правительств, в том числе и российского, к способам энергодобычи не позволяет людям понять выгодность, простоту и, в первую очередь, осознать необходимость постепенного отказа от традиционных и перехода к современным способам добычи и реализации энергии. В связи с этим я решил разработать и создать макет, отражающий выгодность альтернативных источников энергии, их эквивалентность традиционным.
Гипотеза
Возможно создать систему, удовлетворяющую энергетическим потребностям человека, но, в отличие от энергетических систем, установленных как стандарт в современном мире, не наносящую значительный ущерб экологии планеты.
Актуальность
График 1
Актуальность проекта связана с тем, что сегодня перед человеком остро стоит проблема неуклонного роста количества ежегодно потребляемых исчерпаемых источников энергии (График 1). Будущее ученые очень тесно связывают с «чистой» энергетикой. Использование альтернативных источников энергии экологичнее , экономически выгоднее и, в тоже время, не менее практичнее в сравнение использованию традиционных источников энергии: газа, нефти и др. Несмотря на относительно низкий КПД у приборов, трансформирующих энергию альтернативных источников в готовый продукт, ветряные мельницы, солнечные батареи, трансформаторы биотоплива уже сегодня активно тестируются и используются в некоторых странах, удовлетворяя большинству не только будничных, но и промышленных потребностей человека в тепле, свете и электричестве. Следует также отметить: одним из главных преимуществ альтернативной энергетики является полная возобновляемость её источников, которая в дальнейшем поспособствует восстановлению ресурсов, затраченных человечеством за историю его энергодобывающей деятельности.
Цель
Изучить разнообразные альтернативные источники энергии, их достоинства и недостатки, найти КПД каждого вида источника этой энергии и создать модель энергетической системы, работающей за счёт подобных источников. Определить экологически чистый источник электрической энергии.
1.5. Задачи
1. Найти информацию об альтернативной энергетике и изучить её.
2. Теоретически описать особенности нетрадиционных энергетических источников.
3. Объединить некоторые альтернативные источники энергии в макете «чистой» энергетической системы.
Методы исследования
Определить экологически чистые виды энергии при помощи анализа литературы, проведения исследований, наблюдений, обработки полученных экспериментальных данных и теоретического обобщения.
Теоретическая часть
В этой работе я перечислю и охарактеризую некоторые альтернативные источники энергии, используемые человечеством, и мы выберем наиболее перспективный из них.
Альтернативная энергетика — совокупность перспективных способов получения, передачи и использования энергии, которые распространены, не так широко, как традиционные, однако представляют интерес из-за выгодности их использования при, как правило, низком риске причинения вреда окружающей среде.
Основным направлением альтернативной энергетики является поиск и использование альтернативных (нетрадиционных) источников энергии. Источники энергии — встречающиеся в природе вещества и процессы, которые позволяют человеку получить необходимую энергию для существования.
Альтернативный источник энергии является возобновляемым ресурсом, он заменяет собой традиционные источники энергии, функционирующие на нефти, добываемом природном газе и угле, которые при сгорании выделяют в атмосферу углекислый газ, способствующий росту парникового эффекта и глобальному потеплению. Причина поиска альтернативных источников энергии — потребность получать её благодаря возобновляемым или практически неисчерпаемым природным ресурсам и явлениям. Во внимание может браться также экологичность и экономичность.
Ветровая энергия (Рисунок 1).
Новейшие исследования направлены преимущественно на получение электрической энергии из энергии ветра. Стремление освоить производство ветроэнергетических машин привело к появлению на свет множества таких агрегатов. Некоторые из них достигают десятков метров в высоту, и, как полагают, со временем они могли бы образовать настоящую электрическую сеть. Малые ветроэнергетические агрегаты предназначены для снабжения электроэнергией отдельных домов.
Рисунок 1
В проектировании установки самая трудная проблема состояла в том, чтобы при разной силе ветра обеспечить одинаковое число оборотов пропеллера. Поэтому угол наклона лопастей по отношению к ветру регулируют за счет поворота их вокруг продольной оси: при сильном ветре угол острее, воздушный поток свободнее обтекает лопасти и отдает им меньшую часть своей энергии. Помимо регулирования лопастей весь генератор автоматически поворачивается на мачте против ветра.
Достоинства:
Экологически-чистый вид энергии.
Эргономика (ветровые электростанции занимают мало места и легко вписываются в любой ландшафт, а также отлично сочетаются с другими видами хозяйственного использования территорий).
Возобновляемая энергия (энергия ветра, в отличие от ископаемого топлива, неистощима).
Ветровая энергетика – лучшее решение для труднодоступных мест (для удалённых мест установка ветровых электрогенераторов может быть лучшим и наиболее дешёвым решением).
Недостатки:
Нестабильность (нет гарантии получения необходимого количества электроэнергии; на некоторых участках суши силы ветра может оказаться недостаточно для выработки необходимого количества электроэнергии).
Относительно невысокий выход электроэнергии (ветровые генераторы значительно уступают в выработке электроэнергии дизельным генераторам, что приводит к необходимости установки сразу нескольких турбин; кроме того, ветровые турбины неэффективны при пиковых нагрузках).
Высокая стоимость (стоимость установки, производящей 1 мегаватт электроэнергии, составляет 1 миллион долларов).
Опасность для дикой природы (вращающиеся лопасти турбины представляют опасность для некоторых видов живых организмов; согласно статистике, лопасти каждой установленной турбины являются причиной гибели не менее 4 особей птиц в год).
Шумовое загрязнение может причинять беспокойство диким животным и людям, проживающим поблизости.
2.2. Энергия Солнца (Рисунок 2).
Рисунок 2
Почти все источники энергии так или иначе используют энергию Солнца: уголь, нефть, природный газ не что иное, как "законсервированная" солнечная энергия. Она заключена в этом топливе с незапамятных времен.
Энергия солнечного излучения распределена по большой площади (иными словами, имеет низкую плотность), любая установка для прямого использования солнечной энергии должна иметь собирающее устройство с достаточной поверхностью.
Несмотря на северную широту географического расположения России, ресурсы солнечной энергии в стране являются стабильными и приемлемыми, благодаря благоприятным климатическим условиям. Площадь России, доступная для установки фотоэлектрических преобразователей.
Достоинства:
Общедоступность и неисчерпаемость источника.
Теоретически, полная безопасность для окружающей среды.
Недостатки:
Зависимость от погоды и времени суток.
Как следствие необходимость аккумуляции энергии.
Высокая стоимость конструкции, связанная с применением редких элементов.
Необходимость периодической очистки отражающей поверхности от пыли.
2.3. Геотермальная энергия (Рисунок 3)
Рисунок 3
Геотермальная энергетика — направление энергетики, основанное на производстве электрической энергии за счёт энергии, содержащейся в недрах земли, на геотермальных станциях.
В вулканических районах циркулирующая вода перегревается выше температуры кипения на относительно небольших глубинах и по трещинам поднимается к поверхности, иногда проявляя себя в виде гейзеров. Доступ к подземным тёплым водам возможен при помощи глубинного бурения скважин.
Главным достоинством геотермальной энергии является её практическая неиссякаемость и полная независимость от условий окружающей среды, времени суток и года.
Существуют следующие принципиальные возможности использования тепла земных глубин. Воду или смесь воды и пара в зависимости от их температуры можно направлять для горячего водоснабжения и теплоснабжения, для выработки электроэнергии либо одновременно для всех этих целей. От того, какой источник геотермальной энергии используется, зависит устройство станции.
Если в данном регионе имеются источники подземных термальных вод, то целесообразно их использовать для теплоснабжения и горячего водоснабжения.
Главная из проблем, которые возникают при использовании подземных термальных вод, заключается в необходимости возобновляемого цикла поступления (закачки) воды в подземный водоносный горизонт. В термальных водах содержится большое количество солей различных токсичных металлов (например, бора, свинца, цинка) и химических соединений (аммиака, фенолов), что исключает сброс этих вод в природные водные системы, расположенные на поверхности.
Наибольший интерес представляют высокотемпературные термальные воды или выходы пара, которые можно использовать для производства электроэнергии и теплоснабжения.
Достоинства:
Возобновляемый источник энергии (во всяком случае, при условии, что в нагнетательную скважину не закачивается слишком много воды за слишком короткое время).
Геотермальная электростанция для работы не требует поставок топлива из внешних источников.
Эксплуатация геотермальной электростанции не требует дополнительных расходов, кроме расходов на профилактическое техобслуживание или ремонт.
Геотермальные электростанции не портят пейзаж и не требуют значительного землеотвода.
Обычная геотермальная электростанция, расположенная на берегу моря или океана, может применяться и для опреснения воды.
Не зависит от времени года и времени суток.
Недостатки:
Найти подходящее место для строительства геотермальной электростанции и получить разрешение местных властей и согласие жителей на её возведение может быть проблематичным.
Иногда действующая геотермальная электростанция может остановиться в результате естественных изменений в земной коре, плохого выбора места или чрезмерной закачки воды в породу через нагнетательную скважину.
Через эксплуатационную скважину могут выделяться горючие или токсичные газы или минералы, содержащиеся в породах земной коры. Избавиться от них достаточно сложно.
Стоимость установки геотермальной электростанции велика.
2.4.Управляемый термоядерный синтез (Рисунок 4)
Рисунок 4
Одним из наиболее перспективных инновационных источников энергии является управляемый термоядерный синтез (УТС). Энергия синтеза выделяется при слиянии ядер тяжелых изотопов водорода. Топливом для термоядерного реактора служат вода и литий, запасы которых практически не ограничены. В земных условиях реализация УТС представляет сложную научно-технологическую задачу, связанную с получением температуры вещества более 100 миллионов градусов и термоизоляцией области синтеза от стенок реактора.
Интерес к термоядерной энергетике проявляет Россия. Среди основных проектов в рамках индустриально-инновационного развития до 2015 года есть прорывные проекты.
Следующим шагом развития отрасли, по мнению ученых, должна стать программа развития атомной энергетики.
Экспериментальная часть
Для практического подтверждения теоретически описанной выгодности использования источников альтернативных источников энергии я решил собрать макет дома, электрообеспечение которого основано на «чистой» энергетике. Своё моделирование я хотел бы разделить на несколько этапов.
Механизмы:
Для создания подобной модели мне понадобились знания не только физики, но и экономики, географии. Изучив, какое энергетическое «сырьё» на нашей планете встречается чаще всего (солнце и ветер), а затем проанализировав объём средств, который требуется государству для создания блока из хотя бы 100 «умных домов», я пришёл к выводу: ветро- и гелиоэнергетика – наиболее экономически выгодные, в сравнении с другими источниками альтернативной энергии, и ситуационно универсальные отрасли.
Именно поэтому мой макет я решил оборудовать солнечной батареей и ветряной мельницей. Я провёл тестирование, в ходе которого убедился, что солнечная батарея и мельница (представленная винтом, подключённым к динамомашине, состоящей из двух катушек индуктивности и вращающегося металлического диска) дают достаточное напряжение для работы приборов, задуманных мной компонентами макета (Фото 1 и 2).
Фото 1
Фото 2
Фото 4
После проведённых тестов я решил собрать аккумуляторный блок из нескольких конденсаторов - крайне необходимый для грамотной работы моего макета элемент (фото 3-4). Свет не всегда будет попадать на солнечную батарею, так же как и ветер не всегда будет приводить винт мельницы в движение, и, когда всего этого происходить не будет, приборы «умного дома» (фото 5) будут «жить» за счёт энергии саккумулированной ранее.
Фото 3
Фото 5
Установка:
После проведённых тестов я приступил к созданию макета дома и установке энергоперерабатывающих и энергозапасающих элементов.
Батарею поместил на крышу дома (Фото 6), а мельницу – на боковую сторону (Фото 7).
Фото 6
Фото 7
Фото 7 – увеличено
Здесь вы можете ознакомиться с некоторыми модулями, использованными мной в создании макета (Фото 8-9):
Фото 8
Фото 7
Собрав электрическую цепь из всех описанных компонентов, установив внутрь дома аккумуляторный блок и прикрепив к макету диоды, связанные с остальной системой для фиксации наличия энергии и правильной работу цепи, я получил готовую модель так называемого «умного дома», работающего за счёт чистой, не наносящей окружающей среде вреда энергии (Фото 10).
Фото 10
Заключение
Таким образом, в ходе длительной теоретической и экспериментальной деятельности я создал макет, несущий в себе сразу несколько ценностей.
Теоретическая ценность проекта заключается в том, что макет, созданный мной, наглядно описывает принципы работы устройств, преобразующих энергию, на которой способны работать автомобили, поезда, дома, заводы и др. Практическая же ценность заключается в том, что мой макет описывает принципы строения «чистой экосистемы», даёт наглядный образ сборки и установки энергосберегающих и энергообразующих модулей. Макет демонстрирует достаточность получаемой и перерабатываемой энергии для работы электронных приборов. Модель, доказывая гипотезы моего проекта, отражает практичность «чистых» источников энергии, их эквивалентность традиционным. Разумеется, созданная мной модель имеет недочёты, исправить которые будет легко при условии внедрения в область изучения и создания подобных систем квалифицированных специалистов.
Тем не менее, моим проектом я создал хоть и небольшой, но по-своему значимый задел для дальнейших исследовательских, практических, может быть, более крупных работ, а так же, надеюсь, привлёк внимание к поставленной проблеме.
Литература
I Источники:
Солнечная энергетика и солнечные батареи (http://solar-battery.narod.ru)
Интернет версия журнала «Наука и жизнь»
II Исследования:
Дементьев Б. А. Ядерные энергетические реакторы. 1984
Тепловые и атомные электрические станции. Справочник. 1985
III Справочные издания:
Ф. Н. Мильков Общее землеведение
Б. С. Залогин Океан
М. Р. Плоткин Основы промышленного производства
М. М. Дагаев Астрофизика
Л.Д.Юдасин. Энергетика: проблемы и надежды.
Г.Г.Чибриков. Интернационализация хозяйственной жизни и глобальные проблемы современности.