Исследование источников получения электроэнергии

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

Исследование источников получения электроэнергии

Платонов А.А. 1
1МОУ Быковская СОШ №14
Макаренкова Г.Ю. 1Игнатова О.Г. 1
1МОУ Быковская СОШ №14
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

1Введение.

В настоящее время трудно представить мир без электричества: бытовых приборов дома, ярких светильников в школе и на улице. В последнее время на улицах нашего района можно увидеть фонари уличного освещения и светофоры на пешеходных переходах, снабженные панелями солнечных батарей. Меня заинтересовал вопрос сравнения, а какой объем энергии можно получить, если использовать альтернативные источники энергии и провести сравнение разных методов получения электроэнергии, которые можно применять в домашних условиях.

Цели

изучить различные способы выработки электричества;

создать модель электростанции, которую возможно установить в домашних условиях;

рассчитать параметры полученной в результате ее работы энергии.

Задачи

провести анализ существующих альтернативных источников энергии, которые являются экологически чистыми;

выбрать источники энергии, которые могут быть смонтированы в домашних условиях (портативный источник энергии);

изучить принцип работы «домашних» электростанций;

сконструировать экспериментальную модель электрической цепи для проведения измерений;

провести измерения в различных условиях и при использовании различных источников энергии;

на основе измерений и расчетов выявить портативный источник энергии, дающий достаточно энергии для работы одного или двух светодиодов;

сконструировать цепь, включающую источник энергии, выключатель, светодиоды, питающийся от этого источника энергии.

Объект исследования – способы выработки электричества.

Предмет исследования – определение наиболее эффективных (дающих больше энергии) экологически чистых методов выработки электричества: солнечная батарея, ветрогенератор и химический источник тока (батарейка на слабых кислотах).

2Краткие теоретические сведения о альтернативных источниках электроэнергии. Что это такое?

Справочная информация об источниках энергии взята из: https://alter220.ru/news/alternativnye-istochniki-energii.html

Когда запасы традиционных источников энергии, таких как нефть, газ и уголь, неумолимо уменьшаются и их стоимость достаточно высока, а использование приводит к образованию парникового эффекта на планете, все большее количество стран в своей энергетической политике, обращают свои взоры в сторону альтернативных источников энергии.

Альтернативные источники энергии – это экологически чистые, возобновляемые ресурсы, при преобразовании которых человек получает электрическую и тепловую энергию, используемую для своих нужд. К таким источникам относятся энергия ветра и солнца, воды рек и морей, тепло поверхности земли, а также биотопливо, получаемое из биологической массы животного и растительного происхождения.

Нами были взяты для исследования следующие источники энергии: энергия солнца, ветра и химической реакции.

Энергия Солнца. Солнечная энергетика основана на преобразовании энергии солнца, в результате которого получается электрическая и тепловая энергии. Получение электрической энергии основано на физических процессах, происходящих в полупроводниках под воздействием солнечных лучей, получение тепловой – на свойствах жидкостей и газов. Для генерации электрической энергии комплектуются солнечные электростанции, основой которой служат солнечные батареи (панели), изготавливаемые на основе кристаллов кремния. Основой тепловых установок служат солнечные коллекторы, в которых энергия солнца преобразуется в тепловую энергию теплоносителя. Мощность подобных установок зависит от количества и мощности отдельных устройств, входящих в состав тепловых и солнечных станций.

Энергия ветра. Ветровая энергетика основана на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в электрическую энергию, используемую потребителями. Основой ветровых установок служит ветровой генератор. Ветровые генераторы различаются по техническим параметрам, габаритным размерам и конструкции: с горизонтальной и вертикальной осью вращения, различным типом и количеством лопастей, а также по месту их расположения (наземное, морское и т.д.).

Гидроэнергетика. Этот вид альтернативной энергетики наиболее распространен на территории России. В настоящее время доля вырабатываемой электрической энергии ГЭС установленными на реках, в разных регионах страны, превышает 20 % от общей генерации всей энергосистемы РФ.

Суммарная установленная мощность гидроэлектростанций на начало 2017 года составляла 48085,94 МВт, а их количество – 191объект генерации различной мощности и конструкции.

Энергию приливов также используют в нашей стране для производства электрической энергии. В Мурманской области со второй половины ХХ века работает Кислогубская приливная электростанция, которая в 2007 году была реконструирована и в настоящее время ее установленная мощность составляет 1,7 МВт.

В настоящее время ведется разработка экономического обоснования и проектной документации по строительству подобных станций в Охотском (Пенжинская и Тугурская ПЭС) и Белом (Мезенская) морях.

Геотермальная энергетика. Энергия недр нашей планеты, ее тепло, широко используется в ряде стран, где присутствует вулканическая деятельность. В нашей стране этот вид энергетики, в силу ее особенностей, распространен на Дальнем Востоке.

В настоящее время успешно работает 5 геотермальных электрических станций установленной мощностью 80,1 МВт, три из которых расположены на Камчатке (Мутновская, Паужетская и Верхне-Мунтовская) и по одной на островах Кунашир (Менделеевская) и Итуруп (Океанская).

Использование биотоплива. Данный вид энергоресурсов не так широко распространен, как традиционные виды топлива или гидроэнергетика. Тем не менее, в связи с тем, что в нашей стране развита лесная и деревообрабатывающая промышленности и большие территории заняты выращиванием сельскохозяйственных культур, то и на этот вид энергетики обращается все большее внимание.

В последние годы построено большое количество заводов по переработке отходов древесины, из которых изготавливаются топливные брикеты и гранулы (пеллеты). Брикеты и пеллеты, в свою очередь, используются в качестве топлива для различного типа котлов, в результате сжигания которых вырабатывается тепловая и электрическая энергии.

Из отходов сельскохозяйственных культур производится биогаз и жидкое топливо для дизельных двигателей и установок, где они сжигается, в результате чего осуществляется производство тепловой и электрической энергий. Данный вид топлива не получил широкого распространения в нашей стране, но, тем не менее, перспективы его развития достаточно обширны и успешны.

Плюсы и минусы использования. Каждому конкретному источнику энергии, вне зависимости от того, к какому типу он относится – традиционному или альтернативному – свойственны относящееся именно к нему достоинства и недостатки использования. Кроме этого, каждой группе энергоресурсов свойственны общие плюсы и минусы.

Для альтернативных источников плюсами использования являются:

Возобновляемость альтернативных источников энергии;

Экологическая безопасность;

Доступность и возможность использования в широком спектре применения;

Низкая себестоимость энергии, получаемой в результате преобразования.

Минусы использования:

Высокая стоимость оборудования и значительные материальные затраты на этапах строительства и монтажа;

Низкий КПД установок;

Зависимость от внешних факторов, как то: погодные условия, сила ветра и т.д.;

Зависимость от наличия биотоплива (для биотопливных электростанций);

Зависимость от географического местоположения (для геотермальных источников энергии, ветряных и гидроэлектростанций) и особенностей климата;

Относительно небольшая установленная мощность генерирующих установок, за исключением гидроэлектростанций.

3Выбор источников энергии, которые могут быть смонтированы в домашних условиях (портативный источник энергии).

На основе анализа полученных теоретических сведений об альтернативных источниках энергии, я пришел к выводу, что портативными и пригодными для установки в домашних условиях являются не все вышеперечисленные виды. Поэтому я выбрал для исследования следующие источники энергии:

солнечная батарея;

ветрогенератор;

химическая батарейка (на слабых кислотах).

Солнечная энергетика в России. Солнечные электростанции в настоящее время получают все большее распространение среди различных слоев населения как альтернативный или резервный источник электрической и тепловой энергии. В промышленных масштабах данный вид энергетики также присутствует в нашей стране.

Общая установленная мощность солнечных электростанций превышает 400 МВт, из них наиболее крупными являются:

Орская им. А. А. Влазнева, установленной мощностью 40 МВт в Оренбургской области;

Бурибаевская, мощностью 20 МВт и Бугульчанская, мощностью 15 МВт, в Республике Башкортостан;

На полуострове Крым функционирует более десяти солнечных электростанций мощностью 20 МВт каждая.

На стадии разработки проектной документации и различных этапах строительства находятся более 50 объектов солнечной генерации, расположенных в различных регионах от Дальнего Востока и Сибири до центральных и южных областей нашей страны. Общая мощность проектируемых и строящихся объектов составляет более 850 МВт.

Ветровая энергетика в России. Ветровые энергетические установки, работающие для получения электрической энергии в промышленных масштабах, также существуют на территории нашей страны, хотя их доля в общей мощности энергетической системы значительно ниже, чем солнечных электростанций.

Общая установленная мощность ветровых генераторов составляет немногим больше 100 МВт, из них наиболее мощные это:

Зеленоградская ветровая установка, мощностью 5,1 МВт, расположенная в Калининградской области;

Останинская (25,0 МВт), Тарханкутская (22,0 МВт) и Сакская (20,0 МВт) – на полуострове Крым.

На стадии проектирования и строительства находятся 22 ветровые энергетические установки общей мощностью более 2500 МВт.

4Сравнение разных источников электроэнергии.

Для того чтобы выбрать наиболее эффективный источник электроэнергии, необходимо сконструировать экспериментальную модель электрической цепи для проведения измерений и произвести необходимые измерения.

Для этого был использован Электронный конструктор «ЗНАТОК» с приложением «Альтернативные источники энергии». Большое спасибо хотелось бы выразить детскому инженерному клубу Мегавольт (https://www.megavoltkids.com) и лично Никитиной Ольге Дмитриевне за предоставленные детали для проведения измерений и конструкции модели автономного дома.

Рис. 1. Электронный конструктор «ЗНАТОК» с приложением «Альтернативные источники энергии».

4.1Установка, работающая на солнечной энергии.

Установка, работающая на солнечной энергии, включала в себя:

солнечную батарейку с подставкой;

аккумулятор, собирающий энергию;

сопротивление 100 Ом;

два выключателя: один включал зарядку аккумулятора от солнечной батареи, а другой включал подачу энергии от аккумулятора на светодиод;

светодиод.

Схема 1. Установка по сбору солнечной энергии.

Рис. 2. Фотография установки по сбору солнечной энергии, пасмурный день.

Рис. 3. Фотография установки по сбору солнечной энергии, светодиодная лампа.

Рис. 4. Фотография установки по сбору солнечной энергии, солнечный день.

Замеры энергии в установке, работающей на солнечной энергии.

Тип источника

Напряжение

Сила тока

Комментарии

Солнечная батарея

12,6 В

-

Ясный солнечный день, прямые солнечные лучи, без нагрузки

Солнечная батарея

7,44В

13,2мА

Ясный солнечный день, прямые солнечные лучи, под нагрузкой

Солнечная батарея

3,71В

0,4мА

Пасмурный весенний день

Солнечная батарея

4,38В

12,8мА

Настольная светодиодная лампа

Для полной зарядки аккумулятора потребовалось 4,5 часа.

Минусы установки, работающей на солнечной энергии:

для выработки достаточного количества энергии необходима ясная погода (безоблачное небо);

с ноября по март продолжительность светового дня маленькая и выработка энергии будет небольшой.

4.2Установка, работающая на силе ветра.

Установка, работающая на силе ветра, включала в себя:

ветрогенератор с подставкой;

аккумулятор, собирающий энергию;

сопротивление 100 Ом;

два выключателя: один включал зарядку аккумулятора от ветрогенератора, а другой включал подачу энергии от аккумулятора на светодиод;

светодиод.

Схема 2. Установки по сбору энергии ветра.

Рис. 5. Фотография установки по сбору энергии ветра.

Замеры энергии в установке, работающей на силе ветра.

Я живу в Московской области, в Раменском районе, где средняя месячная скорость ветра для территории района составляет за год 3,0 м/с.

Наибольшей силы ветры наблюдаются в осеннее-зимний период. С декабря по февраль включительно дуют ветры со скоростью до 3,5 м/с. В летние месяцы дуют слабые ветры со скоростью до 2,8 м/с. Но иногда в дневное время их скорость может достигать 4,2 м/с.

Это небольшие значения скорости ветра, особенно если сравнивать с теми областями, например полуострова Крым, где установлены промышленные ветрогенераторы: зимой средние скорости составляют там 7 м/с и более, на западном и восточном побережье 6 м/с. Средние годовые скорости большей частью находятся в пределах 5-7 м/с, в защищенных долинах и котловинах предгорья 2-4 м/с. Сильные ветры, или бури (более 15 м/с), повторяются неодинаковое число раз в разных районах Крыма.

(Справочная информация взята с сайтов: Раменский региональный ЭКОЦЕНТР http://www.rrec.ru/atlas/ph-g_characteristic/climate.php и Федеральный портал PROTOWN.RUhttp://www.protown.ru/information/hide/4343.html)

В моем случае ситуация осложняется также городской и одноэтажной застройкой вокруг школы и моего дома, так что получение энергии с использованием силы ветра мы экспериментально моделировали, применяя силу легких человека и бытового прибора – фена.

Тип источника

Напряжение

Сила тока

Комментарии

Ветрогенератор (мотор + крыльчатка)

0,25 В

-

Сила легких человека, без нагрузки

Ветрогенератор (мотор + крыльчатка)

0,5 В

-

Источник ветра для анализа – фен, мотор без повышающего редуктора.

При данном напряжении аккумулятор не заряжался и светодиод не горел.

Минусы установки, работающей на силе ветра:

для выработки достаточного количества энергии необходим устойчивый сильный ветер;

чтобы сила ветра была на постоянном уровне, необходимо открытое пространство, без препятствий;

для увеличения скорости вращения оси необходимо применение повышающего редуктора.

4.3Установка, работающая на силе химической реакции (батарейка на слабых кислотах).

Установка, работающая на силе химической реакции, включала в себя:

подставку из пластикового конструктора, с 6-ю небольшими емкостями – банками, наполненными 9% яблочным уксусом;

медные и алюминиевые электроды, 6 пар;

аккумулятор, собирающий энергию;

сопротивление 100 Ом;

два выключателя: один включал зарядку аккумулятора от батареи на слабых кислотах, а другой включал подачу энергии от аккумулятора на светодиод;

светодиод.

Схема 3. Установка по сбору энергии химической реакции.

Рис. 6. Фотография установки по сбору химической энергии, без аккумулятора, светодиод.

Рис. 7. Фотография установки по сбору химической энергии, аккумулятор. Спустя 1,5 часа после начала зарядки.

Рис. 8. Фотография установки по сбору химической энергии, аккумулятор. Спустя 2 часа после начала зарядки.

Замеры энергии в установке, работающей на силе химической реакции.

Тип источника

Напряжение

Сила тока

Комментарии

Химическая батарейка

3,62 В

-

9% яблочный уксус, без нагрузки

Химическая батарейка

1,74 В

-

9% яблочный уксус, со светодиодом и сопротивлением 100 Ом

Для полной зарядки аккумулятора потребовалось более 12 часов. В начале зарядки аккумулятор достаточно быстро накапливал энергию. После накопления примерно половины заряда процесс замедлился и почти совсем прекратился.

Но для питания светодиода источник энергии на слабых кислотах может работать очень долго.

Минусы установки, работающей на силе химической реакции:

для выработки достаточного количества энергии необходимо много банок;

энергия перестает накапливаться в аккумуляторе очень быстро;

электроды окисляются и покрываются оксидами, их приходится зачищать наждачной бумагой для возобновления реакции, в результате пластины металла уменьшаются в размерах;

раствор уксусной кислоты приходится часто заменять на свежий;

батарейка дает малую силу тока, поэтому эффективна с элементами, имеющими низкое энергопотребление, такими, например, как светодиоды.

5Выводы.

В результате моих исследований я получил следующую информацию:

Солнечная батарея дает больше энергии, чем ветрогенератор в условиях моего эксперимента, и больше, чем батарея на слабых кислотах;

Солнечная батарея эффективна для зарядки аккумулятора даже в условиях малого светового дня;

Для эффективного использования ветрогенератора необходим редуктор и подходящие климатические условия;

Для эффективного использования энергии химической реакции необходимо большое количество раствора кислоты и большое количество последовательно соединенных банок.

6Конструкция цепи, как макет электроснабжения автономного дома.

На основе выводов я взял для конструкции автономного дома:

в качестве источника энергии – солнечную батарейку;

в качестве потребителя электроэнергии – несколько светодиодов.

Для накопления энергии в светлое время и использования в качестве источника энергии в темное время суток желательно использование аккумулятора.

Макет дома оснащен подвижной платформой для закрепления солнечных батарей – для того, чтобы можно было более полноценно улавливать солнечный свет.

Сконструированная цепь, работающая на энергии солнца, и макет в целом включает:

модель дома из блоков конструктора Lego;

установленные на крыше панели солнечной батареи;

выключатель на подачу энергии от солнечной батареи на светодиоды;

2 светодиода.

Схема 4. Сконструированная цепь, работающая на энергии солнца.

Рис. 9. Фотография макета дома с автономным питанием от двух солнечных батарей.

Рис. 10. Фотография макета дома с поднятыми солнечными батареями.

Рис. 11. Фотография выключателя подачи энергии.

7 Заключение

В нашей стране, как и во многих технически развитых странах мира, использованию альтернативных источников энергии уделяется особое внимание. Это обусловлено большими территориями, на которых и в настоящее время нет централизованных источников энергии, а также общемировой тенденцией, связанной с борьбой за экологию планеты и экономией традиционных видов топлива.

В разных регионах страны получили развитие разные виды альтернативной энергетики. Это связано с географическим положением и возможностью использования того или иного первичного источника получения энергии.

Использование альтернативных источников энергии для электроснабжения дома может быть осуществлено достаточно успешно. Все зависит от региона проживания и места расположения дома.

Способность вырабатывать электрический ток солнечными станциями и ветровыми установками зависит от активности солнца и скорости ветра в месте их размещения, а также прочих погодных явлений, характеризующих этот регион.

Устройство микроГЭС возможно только при наличии вблизи объекта потребления реки или иного водоема, а геотермальной станции – при присутствии близкорасположенных к поверхности земли геотермальных вод.

Биотопливо в виде дров и продуктов отходов деревопереработки возможно в регионах страны богатых лесами, с развитой промышленностью данного направления. Получение биогаза и жидкого топлива — доступно там, где большие территории отведены под выращивание сельскохозяйственных культур, что позволяет иметь большой запас биомассы, используемой для производства этих видов топлива.

При наличии свободного времени, желания, а также умения работать ручным инструментом можно создать установки, с помощью которых использовать альтернативные источники для своих нужд, как в виде электрической, так и в виде тепловой энергии.

Для солнечных электростанций можно самостоятельно изготовить солнечные батареи, используя фотоэлементы заводского производства, а также собрать контроллер заряда и инвертор, являющиеся элементами таких установок.

Для ветровых установок, также как и для солнечных станций, электронные устройства (контроллер, инвертор) собираются достаточно просто с использованием существующих электрических схем и из элементов заводского производства. Самый важный элемент – ветрогенератор – можно изготовить из имеющихся запасных частей и материалов.

МикроГЭС – изготовить и смонтировать может каждый, если есть река или водоем, где можно соорудить плотину. Конструкция и вид гидротурбины зависят от типа водоема и рельефа местности.

Созданная мной модель пока очень мала и имеющаяся солнечная батарея пока не может удовлетворить все потребности в электроэнергии нашей семьи. Но может помочь мне в будущем сконструировать солнечные батареи на крыше моего дома для получения бóльшего количества электроэнергии и тем самым снизить затраты.

Просмотров работы: 32