Неисчерпаемые потенциалы планеты Земля

VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Неисчерпаемые потенциалы планеты Земля

Гарбалы Н.Д. 1
1МОУ СОШ
Крапивина Е.В. 1
1МОУ Подосинковская СОШ
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

1.Введение

Всевозрастающие потребности человечества приводят к истощению ресурсов. Возрастают объемы энергоемких производств. Использование и добыча современных источников энергии вредят экологии (например сжигание попутного газа при добыче нефти), что увеличивает нагрузку на атмосферу. Человечество встает перед проблемой поиска и использования альтернативных источников энергии, разработки инновационных технологий и материалов, которые будут экономны, но при этом эффективны. В данном исследовательском проекте представлены различные виды альтернативной и неисчерпаемой энергетики.

«Энергия» происходит от греческого слова energia и означает деятельность, активность. Ее использование может быть разнообразным. Наиболее всего мы нуждаемся в ней в промышленном производстве, отоплении, транспорте, для освещения. В начале она поставлялась нам из окружающей среды (природные ресурсы), такие как бурый уголь, древесина или нефть. Сегодня трудно представить себе жизнь без электроэнергии. Электричество нам необходимо так же, как вода и воздух.

2.Цели

1.Показать актуальность использования альтернативных источников энергии.

2.Выявить географию использования неисчерпаемых ресурсов земного шара.

3.Определить перспективу применения данных ресурсов.

3. Задачи

1. Провести анализ альтернативных источников энергетики.

2. Создать источник альтернативной энергетики.

3. Провести ряд экспериментов.

3. Альтернативная энергетика

Перед нами четыре вида энергии и их примеры в жизни:

1.Гелиоэнергетика-солнечные батареи.

2.Ветроэнергетика-ветряные двигатели.

3.Биоэнергетика-биогаз, жидкое биотопливо, мусоросжигающие установки.

4.Гидроэнергетика-волновые электростанции.

5.Геотермальная энергетика-геотермальные электростанции.

6.Атомная энергетика-атомные станции.

7.Энергия приливов и отливов.

8.Энергия водорода.

4. Обзор литературы

4.1 Ветроэнергетика.

Ветер, как неисчерпаемый источник экологически чистой энергии, находит все более широкое применение и приобретает все большую общественную поддержку.

Начало использования энергии ветра восходит к древнему Вавилону (осушение болот), Египту (помол зерна), Китаю и Маньчжурии (откачка воды с рисовых полей). В Европе эта технология появилась в XII веке, но современные технологии стали использоваться только в XX веке.

Ветряные электростанции могут функционировать в районах со скоростью ветра выше 4,5 м/с. Они могут работать с сетью существующих электростанций либо быть автономными системами. Возникают также так называемые «ветряные фермы» - энергоблоки с некоторым количеством единиц техники, общих для всей системы. Наибольшее количество энергии из ветра в настоящее время производится в Соединенных Штатах, а в Европе - в Дании, Германии, Великобритании, Нидерландах. В Германии находится самая мощная электростанция в мире - 3 МВт. Aeolus II работает на ветряной ферме Вильгельмсхафен и производит ежегодно 7 млн. кВт/ч энергии, обеспечивая около 2 тысяч домашних хозяйств. Всего в мире уже более 20 тысяч ветряных электростанций. Несмотря на массовое производство, стоимость строительства современной ветряной электростанции велика. Однако, следует отметить, что ничтожна стоимость ее эксплуатации. Экологические и экономические выгоды зависят от правильного расположения. Ветряная энергетика соответствует всем условиям, необходимым для причисления ее к экологически чистым методам производства.

Преимущества:
1. Отсутствие загрязнения окружающей среды - производство энергии из ветра не приводит к выбросам вредных веществ в атмосферу или образованию отходов.
2. Использование возобновляемого, неисчерпаемого источника энергии, экономия на топливе, на процессе его добычи и транспортировки.
3. Территория в непосредственной близости может быть полностью использована для сельскохозяйственных целей.

4. Стабильные расходы на единицу полученной энергии, а также рост экономической конкурентоспособности по сравнению с традиционными источникам энергии.
5. Минимальные потери при передаче энергии – ветряная электростанция может быть построена как непосредственно у потребителя, так и в местах удаленных, которые в случае с традиционной энергетикой требуют специальных подключений к сети.
6. Простое обслуживание, быстрая установка, низкие затраты на техническое обслуживание и эксплуатацию.

Недостатки:

1. Высокие инвестиционные затраты - они имеют тенденцию к снижению в связи с новыми разработками и технологиями. Также стоимость энергии из ветра постоянно снижается.
2. Изменчивость мощности во времени - производство электроэнергии зависит, к сожалению, от силы ветра, на которую человек не может повлиять.
3. Шум – исследования шума, выполненные с использованием новейшего диагностического оборудования, не подтверждают негативного влияния ветряных турбин. Даже на расстоянии 30-40 м от работающей станции, шум достигает уровня шума фона, то есть уровня среды обитания.
4. Угроза для птиц - в соответствии с последними исследованиями, вероятность столкновения лопастей ветряка с птицами не больше, чем в случае столкновения птицы с высоковольтными линиями традиционной энергетики.
5. Возможность искажения приема сигнала телевидения - незначительна.
6. Изменения в ландшафте.

4.2 Гелиоэнергетика.

Солнечная энергия-кинетическая энергия излучения (в основном света), образующаяся в результате реакций в недрах Солнца.Использование всего 0,0005% энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а 0,5%- полностью покрыть потребности на перспективу. Солнечная энергетика выглядит гораздо привлекательнее всех остальных альтернативных источников энергии.  Солнечное излучение  доступно практически в любой точке Земли.  Полное количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли за неделю, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана.  Мощность приходящего на Землю излучения составляет примерно 2 МВт/м2 в год, поэтому для солнечной энергетики не требуются большие земельные площади - с поверхности площадью 80-90 км2 можно было бы получать столько же энергии, сколько вырабатывается сейчас. 
   Под словосочетанием «солнечные энергоустановки» или «гелиоэнергетические установки» подразумевают и электрические солнечные батареи, и установки для нагрева воды. По способу преобразования энергии солнца все установки можно условно разделить на три типа: 

фотоэлектрические преобразователи - солнечная энергия преобразуется в электричество напрямую; 

гелиостанции - солнечное излучение используется для приведения в действие тепловых машин (паровых, газотурбинных, теплоэлектрических); 

солнечные коллекторы - солнечные нагревательные установки (горячая вода, система отопления дома и т.д.). 

Достоинства

1.Перспективность, доступность и неисчерпаемость источника энергии в условиях постоянного роста цен на традиционные виды энергоносителей.

2.Теоретически, полная безопасность для окружающей среды, хотя существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо (характеристику отражательной (рассеивающей) способности) земной поверхности и привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно).

Недостатки

1.Зависимость от погоды и времени суток.

2.Сезонность в средних широтах и несовпадение периодов выработки энергии и потребности в энергии. Нерентабельность в высоких широтах, необходимость аккумуляции энергии.

3.При промышленном производстве — необходимость дублирования солнечных энергетических установок традиционными сопоставимой мощности.

4.Высокая стоимость конструкции, связанная с применением редких элементов (к примеру, индий и теллур).

5.Необходимость периодической очистки, отражающей/поглощающей поверхности от загрязнения.

6.Нагрев атмосферы над электростанцией.

7.Необходимость использования больших площадей.

8.Сложность производства и утилизации самих фотоэлементов в связи с содержанием в них ядовитых веществ, например, свинецкадмийгаллиймышьяк. Преобразователи солнечной энергии:

1. Фотоэлектрические преобразователи-ФЕП.

2.Гелиоэлектростанции-ГЕЭС.

3.Солнечные коллекторы-СК.

4.Гелиоэлектростанции-концентраторы солнечного излучения.

 

4.3.Геотермальная энергетика.

Геотермальная энергетика-производство электроэнергии, а также тепловой энергии за счет энергии, содержащейся в недрах земли. Геотермальная энергетика развивается достаточно интенсивно в США, на Филиппинах, в Мексике, Италии, Японии, России.Среди альтернативных источников геотермальная энергия занимает значительное место – ее так или иначе используют примерно в 80 странах по всему миру. В большинстве случаев это происходит на уровне строительства теплиц, бассейнов, применения в качестве лечебного средства или отопления. В нескольких странах – в том числе США, Исландии, Италии, Японии и других - построены и работают электростанции. Геотермальная энергия в целом подразделяется на две разновидности – петротермальную и гидротермальную. Первый тип использует как источник горячие горные породы. Второй - подземные воды. На настоящий момент в мире достаточно широко используется тепло земных недр, причем преимущественно это энергия неглубоких скважин – до 1 км. С целью обеспечения электричеством, теплом или ГВС устанавливаются скважинные теплообменники, работающие на жидкостях с низкой температурой кипения (например, на фреоне). Сейчас использование скважинного теплообменника является наиболее рациональным способом добычи тепла. В основе использования энергии земных недр лежит природное явление – по мере приближения к ядру Земли растет температура земной коры и мантии. На уровне 2-3 км от поверхности планеты она достигает более 100 °С, в среднем увеличиваясь с каждым последующим километром на 20 °С. На глубине 100 км температура достигает уже 1300–1500 ºС.

Вода, циркулирующая на больших глубинах, нагревается до значительных величин. В сейсмически активных районах она поднимается на поверхность по трещинам в земной коре, в спокойных же регионах ее можно вывести с помощью скважин. Принцип действия тот же: нагретая вода поднимается по скважине вверх, отдает тепло, и возвращается по второй трубе вниз. Цикл практически бесконечен и возобновляем до тех пор, пока в земных недрах остается тепло. В некоторых сейсмически активных регионах горячие воды лежат так близко к поверхности, что можно воочию наблюдать, как работает геотермальная энергия.

Преимущества

1. она возобновляемая и практически неиссякаемая;

2. независима от времени суток, сезона, погоды;

3.универсальна - с ее помощью можно обеспечить водо- и теплоснабжение, а также электричество;

4. геотермальные источники энергии не загрязняют окружающую среду;

5. не вызывают парникового эффекта;

6. станции не занимают много места.

Недостатки:

1. геотермальная энергия не считается полностью безвредной из-за выбросов пара, в составе которого могут быть сероводород, радон и другие вредные примеси;

2. при использовании воды с глубоких горизонтов стоит вопрос ее утилизации после использования – из-за химического состава такую воду нужно сливать либо обратно в глубокие слои, либо в океан;

3. постройка станции относительно дорога – это повышает стоимость энергии в итоге.

 

Биоэнергетика.

Биоэнергетические станции по сравнению с традиционными электростанциями и другими невозобновляемыми источниками энергии являются наиболее экологически безопасными. Они способствуют избавлению окружающей среды от загрязнения всевозможными отходами. Так, например, анаэробная ферментация – эффективное средство не только реализации отходов животноводства, но и обеспечения экологической чистоты, так как твердые органические вещества теряют запах и становятся менее привлекательными для грызунов и насекомых (в процессе перегнивания разрушаются болезнетворные микроорганизмы). Кроме того, образуются дополнительный корм для скота (протеин) и удобрения. Городские стоки и твердые отходы, отходы при рубках леса и деревообрабатывающей промышленности, представляя собой возможные источники сильного загрязнения природной среды, являются в то же время сырьем для получения энергии, удобрений, ценных химических веществ. Поэтому широкое развитие биоэнергетики эффективно в экологическом отношении. По сравнению с древесиной биогаз – более чистое топливо, непроизводящее вредных газов и частиц. Вместе с тем необходимы меры предосторожности при производстве и потреблении биогаза, так как метан взрывоопасен. Поэтому при его хранении, транспортировке и использовании следует осуществлять регулярный контроль для обнаружения и ликвидации утечек. При ферментационных процессах по переработке биомассы в этанол образуется большое количество побочных продуктов (промывочные воды и остатки перегонки), являющихся серьезным источником загрязнения среды, поскольку их вес в несколько раз (до 10) превышает вес этилового спирта.

Неблагоприятные воздействия биоэнергетики на экологию:

− выбросы твердых частиц, канцерогенных и токсичных веществ, окиси

углерода, биогаза, биоспирта;

− выброс тепла, изменение теплового баланса;

− обеднение почвенной органики, истощение и эрозия почв;

− взрывоопасность;

− большое количество отходов в виде побочных продуктов (промывоч-

ные воды, остатки перегонки).

4.5.Атомная энергия.

Атомная энергия — это энергия, получаемая из атома. Каждый атом состоит из частичек энергии. Эта энергия объединяет все частицы атома вместе. Поэтому в атомной энергии ядро атома является источником энергии. Эта энергия выделяется при расщеплении атома. В природе ядерная энергия выделяется в звёздах, а человеком применяется, в основном, в ядерном оружии и ядерной энергетике, в частности, на атомных электростанциях.

Существует два способа получения энергии из атома. Первый — это реакция синтеза, другой — реакция деления. При реакции синтеза два атома сливаются вместе и образуют единый атом. При соединении атомов выделяется огромная энергия в виде тепла. Большая часть солнечной энергии получается в результате реакции синтеза, происходящей на Солнце. Это один из видов атомной энергии.

Второй способ — это реакция деления, или расщепления. Расщепление происходит при делении одного атома на два. Это происходит при бомбардировке атомов частицами атомов, например, нейтронами (он входит в состав атома).

Один из видов урана — уран-235 (его еще называют изотоп урана) при бомбардировке нейтронами расщепляется на две части. Ты можешь себе представить, сколько при этом выделяется энергии? Один килограмм урана-235 выделяет в миллион раз больше энергии, чем выделяется при сгорании одного килограмма угля. Небольшой кусочек урана может обеспечить работу целого океанского корабля, самолета или генератора. Атомная энергия может служить основным источником энергии для человечества в будущем, т.к. обладает огромным потенциалом. При своевременном и правильном обслуживании экологически безопасна.

4.6. Энергия приливов и отливов.

В местности, где есть выход к морю или океану достаточно часто успешно используется энергия воды. Механическая сила воды во время приливов и отливов заставляет вращаться специальные турбины, установленные на станции. Таким образом, она преобразуется в электроэнергию. Электростанции подобного типа не так распространены. Не всегда их окупаемость достаточно высока, поэтому их эффективность порой не приносит реальной выгоды. Колоссальная мощь и масштабы морских приливов и отливов привлекала человечество ещё в древности. Первые известные попытки использования приливной энергии были зафиксированы в десятом веке, когда люди начали возводить бассейны с затворами для задержки поступившей воды. На территориях Англии и Франции на плотинах бассейнов строились водяные мельницы, приводившие в движение жернова, оборудование для распила древесины или же выполнявшие роль насосов в системах городского водоснабжения. Резервуары наполнялись при поступлении воды и опустошались по мере её убывания во время отлива, приводя в движение мельничные колёса.

Прошли столетия, однако принцип полезного использования силы приливов, взятый на вооружение в древности, практически не изменился — его стали применять на электростанциях в наше время. В роли «мельниц» на станциях выступают гидроагрегаты, которые выполняют функции генераторов и насосов. Станции, которые вырабатывают энергию из приливов и отливов, используя в своей работе кинетическую энергию земного вращения, считаются одним из видов гидроэнергетических объектов, как и ГЭС. Приливные электростанции (ПЭС), таким образом, извлекают энергию из возобновляемых источников, то есть входят в сферу альтернативной энергетики.

Устройство ПЭС может отличаться в зависимости от конкретного проекта. Классические проекты станций предусматривают наличие плотин и накопительных бассейнов. Может применяться подкачка воды при помощи насосных систем с применением обратимых агрегатов. Подкачка осуществляется для подачи воды во время отсутствия приливной волны с целью обеспечения бесперебойной работы станции. ПЭС, оборудованные такими системами, получили название гидроаккумулирующих.

Преимущества

1. длительный срок службы;

2.возможность прогнозирования количества энергии, которая будет получена;

3.невысокая цена на вырабатываемую электроэнергию;

4.не требуется отчуждения земель под водохранилища;

5.независимость от водности года (количества воды, переносимой рекой с ее бассейна);

6.отсутствие угрозы катастрофы при аварийном разрушении плотины (здесь стоит вспомнить Саяно-Шушенскую ГЭС);

7.исчезновение в бассейне торосов и предпосылок к их образованию (смягчение ледового режима);

8.отсутствие угрозы для морского транспорта, поскольку турбины расположены на дне;

9.постоянство приливно-отливной энергии вне зависимости от месяца;

10.затраты на строительство ПЭС сравнимы с себестоимостью гидроэлектростанций;

11.дополнительная защита берегов от шторма;

12.биологическая проницаемость (для прохождения рыбы практически нет препятствий).

Недостатки

1.Продолжительность активного периода составляет всего 4-5 ч. На протяжении дня бывает 4 цикла, состоящих из активной и пассивной части (1-2 ч).

2.Длительная окупаемость строительства из-за недостаточной эффективности.

3.Невозможность использовать побережье для туристического бизнеса, который часто оказывается более выгодным. ПЭС занимает значительную площадь, поэтому по сравнению с туризмом экономически менее выгодна. Это еще одна причина, почему такие станции строят именно на севере.

4.Сложности возведения сооружения, которые связаны с тем, что оптимальные места для ПЭС находятся у изрезанных берегов.

4.7 Энергия водорода.

Реакция водорода также может быть видом альтернативного источника энергии. Во время этого процесса может выделяться вода и тепло, а также образовываться электричество. При этом, данный способ получения энергии является экологически чистым и обладает высоким коэффициентом полезного действия.

Преимущества

Транспортировка по трубам без проблем, так как у водорода низкий показатель вязкости. Водород хранится в сжиженном, газообразном состоянии. У водорода продолжительный срок хранения, он достаточно легок.

Современные технологии водородной энергетики дают возможность иметь качественный топливный материал с высоким коэффициентом теплоотдачи. Этот энергоноситель имеет практическую сферу применения: в промышленном хозяйстве, в ЖКХ (для отопления жилых зданий).

Водородная энергетика безопасна для окружающей среды, не обладает токсичными свойствами, негативно влияющими на человека и животный мир природы.

Недостатки

Трата других энергоносителей (нефть, электричество, газ) для получения вещества и высокая угроза образования взрывов.

Кроме того, нет четко прописанного и экономически выгодного механизма получения водородной энергии, хотя специалистами активно разрабатываются варианты добычи водородного топлива. Но пока есть трудности в его добыче.

5. Методы исследования.

Для проведения эксперимента мы выбрали один из альтернативных источников энергии: солнце.

Изготовили модель:

Зарядное устройство на основе солнечной батареи.

Эксперимент проводился в течение двух сезонов (зима, весна), Разных погодных условиях. Результаты выражены в виде таблицы:

Зима

Свет

Мощность

Время зарядки

Дождь

5%

7-9часов

Плотные тучи без осадков

10%

5-7часов

Солнце

30%

3-4часа

Искусственный свет(лампа)

2%

Больше 10 часов

1.На данной схеме видно, что в зимнее время года в дождливую погоду солнечная батарея дает мощность 5%, и время зарядки составляет 7-9часов.

2.Когда были плотные тучи без осадков солнечная батарея дала мощность 10%, и время зарядки составило 5-7часов.

3.В солнечную погоду солнечная батарея показала мощность 30%, и время зарядки составило 3-4часа.

4. Под искусственным светом солнечная батарея показала мощность 2%, и заряжалась она больше 10 часов

Выводы по первому эксперименту:

Солнце-отличный источник света, но есть одна проблема: Солнце есть не всегда, и его не может заменить искусственный свет.

2. Весна

Свет

Мощность

Время зарядки

Дождь

7%

8-9часов

Плотные тучи без осадков

11%

6-7часов

Солнце

43%

2-3часа

Искусственный свет(лампа)

3%

Больше 10часов

1.На данной схеме видно, что в весеннее время года в дождливую погоду солнечная батарея дает мощность 7%, и заряжается она 8-9часов.

2.Кода были плотные тучи без осадков солнечная батарея дала мощность 11%, и заряжалась она 6-7часов.

3.В солнечную погоду солнечная батарея показала мощность 23%, и время зарядки составило 4-5часов.

4.Под искусственным светом солнечная батарея показала мощность 3%, и время зарядки составило 9-11часов.

Выводы по второму эксперименту:

Весной показатели солнечной батареи увеличиваются, и в весеннее время года использование солнечных батарей более полезно и практично, чем зимой, т.к. увеличивается световой день.

6. Выводы

1.С быстрым ростом численности населения на земле потребление электроэнергии растет с каждым годом.

2.Разведанных запасов нефти и газа при увеличивающем потреблении хватит только на несколько десятков лет.

3.Подорожание нефти на мировом рынке способствует повышению интереса к новым видам энергоресурсов-альтернативным источникам электроэнергии

4. Проблемы использования нефти с точки зрения загрязнения окружающей среды.

Любые научные разработки и исследования в основном направлены на улучшение жизни людей. Одним из таких направлений, способных значительно изменить существование человека, является развитие энергетики будущего. Поэтому процесс поиска и введение в эксплуатацию новых способов получения энергии очень важен для развития общества.

Список литературы

1.плюсы и минусы ветроэнергетики https://alternativenergy.ru/vetroenergetika/581-plyusy-minusy-vetroenergetiki.html(электронный источник)

2.реферат Гелиоэнергетика https://www.webkursovik.ru/kartgotrab.asp?id=-51253(электронный источник)

3.преобразователи солнечной энергии https://studfiles.net/preview/940768/page:4/(электронный источник)

4.Геотермальная энергия: плюсы и минусы. Геотермальные источники энергииhttps://www.syl.ru/article/173209/new_geotermalnaya-energiya-plyusyi-i-minusyi-geotermalnyie-istochniki-energii (электронный источник)

5.альтернативные виды энергии https://altenergiya.ru/novosti/alternativnye-vidy-energii.html(электронный источник)

6.Альтернативная энергетика: энергия приливов и отливов https://pronedra.ru/alternative/2017/04/10/perspektiva-prilivnyh-stanciy/(электронный источник)

7. Биоэнергетика. https://studfiles.net/preview/2459432/page:5/

Просмотров работы: 72