VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Преобразование механической энергии в электрическую, с использованием альтернативных источников
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Исследовательская работа посвящена изучению способов преобразование механической энергии в электрическую с использованием альтернативных источников энергии, которые представляют интерес из-за низкого риска причинения вреда окружающей среде.
Цель:
Самостоятельно сделать в домашних условиях устройство получения гравистатической энергии.
Задачи:
Изучить и проанализировать литературу об альтернативных источниках энергии, видах энергии в природе.
Познакомиться с устройством различных источников энергии.
Получить самостоятельно электрический ток.
Актуальность темы работы:
Все знают, что запасы нефти, газа и угля не бесконечны, цены на энергоносители постоянно повышаются, заставляя нас тяжко вздыхать. Да ещё и при использовании традиционных источников энергии мы сильно вредим окружающей среде, отчего потом сами и страдаем, болеем и кашляем. Несмотря на достижения цивилизации, за пределами городов остается немало мест, в которые не подведен газ, а кое-где до сих пор нет даже электричества. Неудивительно, что альтернативная энергия своими руками вызывает сегодня интерес. В понимании обычного обывателя энергосбережение – это денежная экономия, а если рассматривать этот вопрос на глобальном уровне, то это прежде всего экономия ресурсов, безвредное производство и сокращенные затраты на громадные проекты по строительству электростанций.
Под источниками энергии понимаются материальные объекты, часть энергии которых может быть использована человеком для получения механической, электрической энергии и теплоты. Все энергетические ресурсы можно разделить на два основных вида: возобновляемые, которые природа непрерывно восстанавливает (энергия солнца, ветра, рек и пр.), и невозобновляемые (газ, нефть, уголь, уран).
Практическое значение имеют пока только 10 видов известной нам энергии: ядерная, химическая, упругостная, гравистатическая, электрическая, электромагнитная, электростатическая, магнитостатическая, тепловая, механическая.
Стоит задуматься о том, когда же настанет переломный момент в использовании экологически чистой энергии. Известный источник информации Bloomberg в 2019 году представил аналитический отчет New Energy Outlook (https://bnef.turtl.co/story/neo2019) с прогнозом развития мировой энергетики до 2050 года.
Мировой энергетический портфель постепенно трансформируется с 70% энергии из ископаемых источников в 2018 году до 70% энергии из возобновляемых источников к 2050 году, когда солнечная и ветряная энергетика будут совместно вырабатывать около половины используемого в мире электричества.
К 2050 году, 22% электричества будет произведено солнечными электростанциями, а 26% — ветряными. Эти два способа выработки энергии будет дополнять гидроэнергетика, возможности которой, однако, будут существенно ограничены нехваткой ресурсов, а также ядерная энергетика, характерными особенностями которой являются высокие издержки и недостаток гибкости.
На рынок в ближайшие 30 лет будет выведено порядка 360 ГВт аккумуляторов для хранения энергии, призванных уравновесить пики и отсутствие выработки электроэнергии, характерные для солнечной и ветряной генерации. В том числе будет развиваться сегмент динамической зарядки электромобилей, который предполагает, что батареи транспортных средств подсоединяются к сети и используются для аккумуляции энергии во время пикового производства и передачи ее в сеть в моменты пикового потребления.
Компании по всему миру до 2050 года инвестируют 13,3 трлн долл США в строительство более 15 тыс ГВт новых энергомощностей, включая 77% мощностей возобновляемой энергетики. Из этой суммы 5,3 трлн будет инвестировано в солнечную энергетику, 4,2 трлн в ветряную энергетику и 843 млрд в производство средств хранения энергии. В то же время, инвестиции в традиционную топливную энергетику, как ожидается, не превысят в этот период 2 трлн долл США. Развитие энергосетей потребует еще 11,4 трлн долл инвестиций в следующие 30 лет в связи с растущими спросом и потреблением.
Угольная энергогенерация будет сокращаться по всему миру за исключением Азии. Своего пика производство электроэнергии на основе угля достигнет к 2026 году, а затем будет снижаться. Генерация на основе газа удвоится до 2050 года.
В США будет продолжаться процесс замены устаревающих угольных и ядерных активов электростанциями на основе возобновляемых источников и газа. Угольная и ядерная энергетика практически исчезнут из энергопортфеля страны уже в 2050 году. Проникновение ВИЭ достигнет к этому моменту 43% в том числе благодаря повсеместному распространению промышленных систем хранения энергии.
Распространение возобновляемых источников энергии в Европе достигнет 90% от общего энергопортфеля уже в 2040 году, из этого количества солнечная и ветряная энергетика составят приблизительно 80%.
Наглядная трансформация рынка электроэнергии 1970–2050 гг.:
Оценки мирового потенциала ВИЭ:
Возобновляемые энергоресурсы России:
В России вопросы ускоренного развития возобновляемых источников энергии сформулированы в Федеральном законе от 04.11.2007 г. № 250-ФЗ «О внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации в связи с осуществлением мер по реформированию Единой энергетической системы России», в котором установлен перечень источников энергии, относящихся к возобновляемым и намечены меры гос. поддержки возобновляемой энергетики.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ
Энергия в природе и ее виды
Само слово “энергия” происходит от греческих слов “эн” (в) и “эргон” (работа). Современное определение энергии принадлежит Ф. Энгельсу: энергия – это общая скалярная (т. е. независящая от направления) мера различных форм движения материи. В технике часто энергию отожествляют с работой, которая совершается или может быть совершена в процессе взаимодействия тел.
Понятия, связанные с энергией, часто бывают сложны, непонятны и не всегда корректно объяснимы даже в среде специалистов-энергетиков.
Например, говорят: “электродвигатель работает, потребляя энергию”, “человек питается, чтобы использовать энергию пищи”. Это не согласуется с фундаментальным положением физики: энергия не исчезает и не возникает из ничего. А раз энергия не исчезает, то о каком тогда “потреблении” энергии идет речь? Вся электрическая, механическая и другая энергия, в том числе и энергия пищи, без остатка переходит в тепловую. Откуда же берется работа? Оказывается, энергия переходит в работу, а работа получается при изменении формы энергии из более ценной в менее ценную.
Опираясь на фундаментальное положение “энергия не исчезает и не возникает из ничего” можно утверждать, что источником энергии может быть только система, способная накапливать энергию.
Согласно представлениям физической науки, энергия – это способность тела или системы тел совершать работу.
В природе существует около 20 научно обоснованных видов энергии. Существуют также различные классификации видов и форм энергии. Человек в своей повседневной жизни наиболее часто встречается со следующими видами энергии: механическая, электрическая, электромагнитная, тепловая, химическая, атомная (внутриядерная), гравитационная и другие виды. На практике непосредственно применяются всего 4 вида энергии: тепловая (70-75%), механическая (20-22%), электрическая (3-5%), электромагнитная – световая (15%).
Более двух третей всей потребляемой энергии используется в виде теплоты для технических нужд, отопления, приготовления пищи, оставщаяся часть – в виде механической, прежде всего в транспортных установках, и электрической энергии. Причем доля использования электрической энергии постоянно возрастает.
Если энергия – результат изменения состояния движения материальных точек или тел, то она называется кинетической; к ней относят механическую энергию движения тел, тепловую энергию, обусловленную движением молекул.
Если энергия – результат изменения взаимного расположения частей данной системы или ее положения по отношению к другим телам, то она называется потенциальной; к ней относят энергию масс, притягивающихся по закону всемирного тяготения, энергию положения однородных частиц, например, энергию упругого деформированного тела, химическую энергию.
Энергию в естествознании в зависимости от природы делят на следующие виды.
М еханическая энергия – проявляется при взаимодействии, движении отдельных тел или частиц. К ней относят энергию движения или вращения тела, энергию деформации при сгибании, растяжении, закручивании, сжатии упругих тел (пружин). Эта энергия наиболее широко используется в различных машинах – транспортных и технологических.
Тепловая энергия – энергия неупорядоченного (хаотического) движения и взаимодействия молекул веществ. Тепловая энергия, получаемая чаще всего при сжигании различных видов топлива, широко применяется для отопления, проведения многочисленных технологических процессов (нагревания, плавления, сушки, выпаривания, перегонки и т.д.).
Э лектрическая энергия – энергия движущихся по электрической цепи электронов (электрического тока). Электрическая энергия применяется для получения механической энергии с помощью электродвигателей и осуществления механических процессов обработки материалов: дробления, измельчения, перемешивания; для проведения электрохимических реакций; получения тепловой энергии в электронагревательных устройствах и печах; для непосредственной обработки материалов (электроэрозионная обработка).
Этот вид энергии является наиболее совершенным, благодаря следующим факторам:
Возможности получения ее в больших количествах вблизи месторождений горючих ископаемых или водных источников;
Удобству транспортировки на дальние расстояния с относительно небольшими потерями;
Способности трансформации в другие виды энергии;
Отсутствию загрязнения окружающей среды;
Возможности создания принципиально новых технологических процессов с высокой степенью автоматизации и роботизации производства.
Х имическая энергия – это энергия, «запасенная» в атомах веществ, которая высвобождается или поглощается при химических реакциях между веществами. Химическая энергия либо выделяется в виде тепловой энергии при проведении экзотермических реакций (например, горении топлива), либо преобразуется в электрическую в гальванических элементах и аккумуляторах. Эти источники энергии характеризуются высоким КПД (до 98%), но низкой емкостью.
Магнитная энергия – энергия постоянных магнитов, обладающих большим запасом энергии, но «отдающих» ее весьма неохотно. При прохождении электрического тока по цепи вокруг проводника создается магнитное поле. Электрическая и магнитная энергии тесно взаимосвязаны друг с другом, каждую из них можно рассматривать как «оборотную» сторону другой. Поскольку электрическая и магнитная энергия тесно связаны, на практике используется понятие электромагнитная энергия.
Электромагнитная энергия – это энергия электромагнитных волн, т.е. движущихся электрического и магнитного полей. Она включает видимый свет, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские лучи и радиоволны.
Я дерная энергия – энергия, локализованная в ядрах атомов радиоактивных веществ. Она высвобождается при делении тяжелых ядер (ядерная реакция) или синтезе легких ядер (термоядерная реакция).
Гравитационная энергия – энергия, обусловленная взаимодействием (тяготением) массивных тел, она особенно ощутима в космическом пространстве. В земных условиях, это, например, энергия, «запасенная» телом, поднятым на определенную высоту над поверхностью Земли – энергия силы тяжести.
В Международной системе единиц СИ в качестве единицы измерения энергии принят Джоуль (Дж). 1 Дж эквивалентен 1 ньютон х метр (Нм). Если расчеты связаны с теплотой, с расчетом энергии биологических объектов и многими другими видами энергии, то в качестве единицы энергии применяется внесистемная единица - калория (кал) или килокалория (ккал), 1кал=4,18 Дж. Для измерения электрической энергии пользуются такой единицей, как Ватт·час (Вт·ч, кВт·ч, МВт·ч), 1 Вт·ч=3,6 МДж. Для измерения механической энергии используют величину 1 кг·м=9,8 Дж.
Энергия, непосредственно извлекаемая в природе (энергия топлива, воды, ветра, тепловая энергия Земли, ядерная), и которая может быть преобразована в электрическую, тепловую, механическую, химическую называется первичной. В соответствии с классификацией энергоресурсов по признаку исчерпаемости, можно классифицировать и первичную энергию. На рис. 1 представлена схема классификации первичной энергии.
Первичная энергия
Традиционные виды энергии
Гидроэнергия рек
Газообразные виды топлива
Нетрадиционные виды энергии
Энергия ветра
Биологическое топливо
Энергия морских волн
Геотермальная энергия
Солнечная энергия
Атомная энергия
Органическое топливо
Твёрдые виды топлива
Жидкие виды топлива
Энергия приливов
Энергия, получаемая человеком, после преобразования первичной энергии на специальных установках - станциях, называется вторичной (электрическая энергия, энергия пара, горячей воды и т.д.).
Немногим более половины всей потребляемой энергии используется в виде тепла для технических нужд, отопления, приготовления пищи, оставшаяся часть - в виде механической, прежде всего в транспортных установках, и электрической энергии.
Электрическая энергия по праву может считаться основой современной цивилизации. Это обусловлено ее преимуществами и удобством использования. Подавляющее большинство технических средств механизации и автоматизации производственных процессов (оборудование, приборы, компьютеры), замена человеческого труда машинным в быту имеют электрическую основу.
Сведем в таблицу-матрицу все виды энергий, имеющих практическое значение, и проанализируем возможности их взаимопревращений.
Анализ различных энергетических процессов показывает, что для превращения видов энергии необходимо выполнить два условия:
обеспечить должный уровень концентрации энергии;
подобрать рабочее тело определенных свойств.
При всех превращениях энергии, строго говоря, должна изменяться гравистатическая энергия ее систем – носителей, если их положение по отношению к поверхности Земли меняется.
Из матрицы превращений энергии следует, что возможности эти весьма ограничены. Самые простые, надежные и перспективные пути уже использованы и могут лишь совершенствоваться в направлении повышения экономичности превращений и удельной энергопроизводительности, т. е. мощности преобразователя.
Е ИЭ – естественный (природный) источник энергии;
И ИЭ – искусственный ИЭ;
Н Э – накопитель энергии;
ПЕРЭ – переносчик энергии.
Матрица возможных превращений и преобразование видов энергии, имеющих практическое значение
Можно ли построить современную энергетику на возобновляемых источниках энергии?
ФАКТОРЫ В ПОЛЬЗУ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКАХ ЭНЕРГИИ (далее – ВИЭ):
Огромные ресурсы всех видов ВИЭ, во много раз превышающие обозримые потребности человечества
Доступность в любой точке земного шара того или иного ВИЭ или их комбинации
Экологическая чистота
Доказанная, по крайней мере на демонстрационном уровне, жизненность технологий, а в ряде случаев высокая конкурентоспособность
Возможность построения на основе ВИЭ как централизованных, так и децентрализованных (автономных) систем энергоснабжения
ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ШИРОКОЙ КОММЕРЦИАЛИЗАЦИИ ВИЭ (временные и связанные в основном с необходимостью конкурировать с традиционными энергетическими технологиями, базирующимися на пока еще относительно дешевых ископаемых топливах):
Высокая стоимость производства энергоносителей (электричество, тепло, моторное топливо), несмотря на исходную «дармовую» энергию
Неотработанность технологий
Разберемся, почему энергия на ВИЭ дорогая. Основная фундаментальная физическая причина – низкая плотность потоков энергии и их нерегулярность (суточная, сезонная, погодная и др.)
Плотности потоков некоторых ВИЭ
Солнечное излучение:
ясный полдень – 1000 Вт/м2
в среднем за год – 150–250 Вт/м2
Ветровой поток:
при v=10 м/с – 500 Вт/м2
при v= 5 м/с – 60 Вт/м2
Водный поток:
при v= 1 м/с – 500 Вт/м2
В традиционных энергоустановках плотность энергетических потоков достигает сотен кВт или даже нескольких МВт/м2
Результат: потребность в больших поверхностях для сбора энергии и необходимость использования больших аккумуляторов энергии, что обусловливает рост стоимости
Энергия падающей воды.
Принцип работы гидроэлектростанций основан на преобразовании потенциальной энергии падающей воды в кинетическую энергию вращения турбины, связанной с генератором, преобразующим кинетическую энергию в электрическую. Первые гидроэлектростанции относились к проточному типу, при котором вода реки не подпруживалась, а просто пропускалась через турбину. Для них требуется большой перепад уровней реки, например как на Ниагарском водопаде, где и была построена первая гидроэлектростанция подобного типа. На современных гидроэлектростанций возводятся громадные плотины для увеличения объема воды, равномерно пропускаемой через турбины. Плотина не только создает вместилище для накопления воды, но и повышает ее уровень. При этом увеличивается потенциальная энергия воды, что приводит к возрастанию кинетической энергии вращения турбины и в конечном результате – к увеличению вырабатываемой электроэнергии. Вода из водохранилища по напорному трубопроводу направляется на горизонтально вращающиеся лопости турбины, соединенной с генератором. Обычно на гидроэлектростанции используется много турбогенераторных агрегатов. КПД гидроэлектростанций составляет 60–70%, т. е. 60–70% энергии падающей воды преобразуется в электрическую энергию.
С точки зрения превращения энергии, гидроэнергетика - технология с очень высоким КПД, зачастую превышающем более чем в два раза КПД обычных теплоэлектростанций. Причина в том, что объем воды, падающий вертикально, несет в себе большой заряд кинетической энергии, которую можно легко преобразовать в механическую (вращательную) энергию, необходимую для производства электричества. Оборудование для гидроэнергетики достаточно хорошо разработано, относительно простое и очень надёжное. Поскольку никакая теплота в процессе не присутствует (в отличие от процесса горения), оборудование имеет продолжительный срок службы, редко случаются сбои. Срок службы ГЭС - более 50 лет. Многие станции, построенные в двадцатые годы ХХ века - первый этап расцвета гидроэнергетики - все еще в действии.
Сооружение гидроэлектростанций обходится дорого, и они требуют эксплуатационных расходов, но зато работают на «бесплатном топливе».
Однако гидроэлектростанции не совсем уж безвредны для окружающей среды. Плотины и водохранилища выводят из сельскохозяйственного оборота затопленные земли. Их площадь чрезвычайно велика особенно на равнинных реках: естественный перепад уровней воды в них небольшой. Громадные площади водохранилищ способствуют образованию необычно большого количество паров воды в атмосфере, что неизбежно приводит к нарушению естественных погодных условий. Плотины отрицательно влияют на качество воды, накапливаемой в водохранилищах. В зависимости от сезона накопленная вода может содержать мало растворенного кислорода и оказаться неблагоприятной средой для рыб и других живых организмов. Кроме того, спускаемая вода разрушает русло реки. В то же время гидроэлектростанции, построенные на реках с естественным перепадом уровня воды – на реках с водопадами, горных реках, – наносят гораздо меньший ущерб окружающей среде.
ПРАКТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ
Простейший преобразователь энергии потока воды
Мой прибор для преобразования энергии потока воды основан на похожем принципе работы гидроэлектростанции.
Прибор представляет собой:
ёмкость (бутылка из-под молока вместимостью 0,9 л),
примитивный генератор переменного тока
батарея из 4-х светодиодов
крыльчатка, расположенная на валу. Крыльчатка помещена в горлышке бутылки.
При потоке воды в бутылку и из бутылки через ее горлышко, крыльчатка вращается и передает вращение через вал на генератор. Вырабатываемый электрический ток передается на светодиоды. Таким образом мы видим, что при наполнении и изливе воды из бутылки происходит свечение светодиодов.
- примерная схема работы прибора.
Переменный ток из динамо-генератора (крыльчатки) проходит выпрямитель и питает светодиоды.
Схема имеет одну проблему — мерцание света на низких скоростях.
Расчёт для опытного образца
Так как кинетическую энергию излива при помощи этого прибора подсчитать невозможно (неизвестна скорость), то определим потенциальную энергию воды в заполненной бутылке
Wп=mgΔh,
где m-масса – 0,9 кг;
g – ускорение свободного падения – 9,8 м/с2;
Δh – перепад высот излива воды (высота бутылки), учитывая, что высота столба воды (как и масса) при изливе постоянно меняется, принимает для расчетов ½ высоты: 0,2:2=0,1 м.
Wп=0,9*9,8*0,1=0,88 Дж
или 0,88 Вт*с
Расчёт потенциальной энергии человека
Определим какой потенциальной энергией обладает человек находящийся на втором этаже стандартного дома:
Wп=50*9,8*3=1470 дж или 1470 Вт*с
Этой энергии хватает на свечение светильника мощностью 10 Вт (мощность светодиодной лампы достаточной для освещения лестничного пролета) на 147 сек, или при к.п.д. установки преобразования 0,6 - 88 сек.
Также путем определения потенциальной энергии можно определить возможности выработки энергии для подсветки внутри квартиры – например для подсветки рабочего пространства на столе при многократном вставании со стула и т.д.
ВЫВОДЫ
Изучена литература об альтернативных источниках энергии, видах энергии в природе.
Самостоятельно создан опытный прибор преобразования энергии потока воды в электрический ток, достаточный для горения светодиодов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Гипотеза о том, что в домашних условиях возможно получить электрический ток путем преобразования энергии потока воды в электрический, подтвердилась. Такие источники могут использоваться для работы приборов с низким потреблением энергии.
Перспективы работы:
Оптимизация опытного образца, подключение аккумулятора для накопления энергии.
Встраивание прибора в домашнюю сантехнику.
Эксперименты с другими, более мощными, источниками энергии.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ
Угаров, Г. Г. Преобразователи энергии: учеб. пособие / Г. Г. Уга-ров, А. Г. Сошинов, О. В. Вдовина. Под ред. д. т. н. Г. Г. Угарова; ВолгГТУ, Волгоград, 2010. – 96 с.
Алексеев Г.Н. Преобразование энергии. Москва: Наука, 1966. — 193 с.
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Москва, «Высшая школа», 2003 – 488 с.
https://bnef.turtl.co/story/neo2019/