VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Альтернативные источники энергии
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
|
Введение «Пусть не напрасно греет и светит солнце. Пусть не напрасно течет вода, и бьются волны о берег. Надо отнять у них бесцельно расточаемые дары природы И покорить их, связав по своему желанию». Данте Алигьери |
||
Одной из глобальных проблем, стоящих перед человечеством, является энергетическая проблема. Запасы основных источников энергии – угля, нефти и газа – со временем иссякнут. По некоторым оценкам это произойдет уже в ближайшие десятилетия. Кроме перспективы истощения традиционных источников существует еще и проблема экологическая, поскольку сжигание углеводородного топлива приводит к вредным выбросам в атмосферу, ухудшая сферу обитания человека, создавая экологические проблемы.
Для решения данной проблемы была поставлена цель: изучить источники энергии, доказать возможность существования неиссякаемых источников энергии, не загрязняющих природу, применить полученные знания на практике путем создания музыкальной колонки.
В связи с этим была выдвинута следующая гипотеза: предположим, что возможно самостоятельно создать музыкальную колонку, работающую на альтернативном источнике энергии.
Задачи, которые предстоит решить в ходе работы над данной темой:
- рассмотреть традиционные источники энергии;
- рассмотреть альтернативные источники энергии;
- провести опыт по получению электроэнергии из солнечной энергии;
- провести опыт по получению электроэнергии из энергии ветра;
- создать музыкальную колонку, которая работает от солнечной батареи.
Место и сроки выполнения работы: октябрь 2018 –октябрь 2019 гг.
Теоретическая часть
Энергия (др.-греч. ἐνέργεια – действие, деятельность, сила, мощь) – это физическая величина, показывающая, какую работу может совершить тело. Энергия измеряется в джоулях. Чем большую работу может совершить тело, тем большей энергией оно обладает.
В 1807 году Томас Юнг первым использовал термин «энергия» в современном смысле этого слова взамен понятия «живая сила».
Чтобы на заводах и фабриках могли работать станки и машины, их приводят в движение электродвигатели, которые расходуют при этом электрическую энергию.
Автомобили и самолеты, тепловозы и теплоходы работают, расходуя энергию сгорающего топлива, гидротурбины – энергию падающей с высоты воды. Да и сами люди, чтобы жить и работать, возобновляют запас своей энергии при помощи пищи.
Среди пригодных к использованию и экономически выгодных форм энергии особое место занимает электрическая энергия. В настоящее время нет ни одной отрасли народного хозяйства, ни одного предприятия, которые не потребляли бы электроэнергию. Электрический ток, электродвигатель проникают всюду, решительно преобразуя производство, облегчая труд, значительно поднимая его производительность.
Традиционные источники (электро) энергии
Электричество производят на электростанциях. Существуют различные виды электростанций, но самыми распространенными в мире являются:
тепловые электростанции;
гидроэлектростанции;
атомные электростанции.
Принцип работы этих электростанций заключается в том, что нужно вращать ГЕНЕРАТОР – устройство, вырабатывающее электроэнергию. На разных станциях за это отвечает свой энергоноситель.
Тепловые электростанции
Тепловые электростанции работают на органическом топливе – мазут, уголь, торф, газ, сланцы. Размещаются ТЭС, главным образом, в том регионе, где присутствуют природные ресурсы и вблизи крупных нефтеперерабатывающих предприятий.
Принцип работы ТЭС –топливо сжигается в топке парового котла. При горении топлива вода в огромных котлах нагревается и превращается в пар. Пар воздействует на гигантское колесо, называемое турбиной, и заставляет его вращаться; турбина в свою очередь вращает генератор. Когда генератор вращается, вырабатывается электричество. Происходит выработка не только электрической энергии, но и производство тепловой энергии, которая также поставляется потребителям в виде горячей воды, к примеру.
Гидроэлектростанции
Гидроэлектростанция – это сложный комплекс, состоящий из разных сооружений и специального оборудования. Возводятся гидроэлектростанции на реках, где есть постоянный приток воды для наполнения плотины и водохранилища. Подобные сооружения (плотины), создаваемые при постройке гидроэлектростанции, необходимы для концентрации постоянного потока воды, который при помощи специального оборудования для ГЭС преобразовывается в электрическую энергию.
Работа гидроэлектростанции достаточно проста. Возведенные гидротехнические сооружения обеспечивают стабильный напор воды, который поступает на лопасти турбины. Напор приводит турбину в движение, в результате чего она вращает генераторы. Последние и вырабатывают электроэнергию, которую затем по линиям высоковольтных передач доставляют потребителю. Основная сложность подобного сооружения – обеспечение постоянного напора воды, что достигается путем возведения плотины. Благодаря ей большой объем воды концентрируется в одном месте.
Атомные электростанции
С каждым новым витком технического прогресса человечеству необходимо всё большее энергии. Сегодня энергия «мирного атома» активно используется в экономике и производстве, и не только в энергетике. Электроэнергия, производимая на так называемых АЭС (принцип работы которых весьма прост по своей сути), широко используется в промышленности, освоении космоса, медицине и сельском хозяйстве. В основе работы любой атомной электростанции лежит мощная реакция, которая возникает при делении ядра атома, при этом выделяется огромная энергия. Как раз эта энергия и выступает главным и ключевым продуктом деятельности любой атомной станции. В этом процессе чаще всего участвуют атомы урана-235 или же плутония.
Эти источники электроэнергии считаются традиционными, так как 75% всей электроэнергии в мире вырабатывается именно таким способом.
Традиционные источники энергии имеют существенные недостатки. Кроме перспективы их истощения существует еще и проблема экологическая, поскольку сжигание углеводородного топлива приводит к вредным выбросам в атмосферу, ухудшая сферу обитания человека, создавая экологические проблемы.
Критики ГЭС так же обоснованно указывают на проблемы, в первую очередь экологические, которые вызываются их появлением. Прежде всего, это затопление больших участков земли и все вытекающие из этого негативные последствия. К тому же ГЭС можно строить только в определенных местах.
Использование атомной энергии, на которую возлагались большие надежды, тоже не панацея, потому что тоже порождает проблемы, связанные с экологией – вспомните сообщения о катастрофах на атомных станциях.
Поэтому так важно найти новые источники энергии, не связанные с углеводородным или ядерным топливом, более безопасные с экологической точки зрения.
В мире уже наметился существенный прогресс в использовании альтернативных, возобновляемых источников энергии. Однако далеко не все еще понимают важность и актуальность этой проблемы. И требуются значительные усилия по пропаганде альтернативной энергетики, пояснению ее преимуществ и развеиванию сложившихся предрассудков.
1.3 Альтернативные источники энергии
На данный момент известно большое количество альтернативных источников энергии: водородное топливо, геотермальная энергия, энергия солнца, энергия ветра, приливные электростанции и т.д. В своей работе я расскажу о нескольких видах электрических станций, основанных на наиболее распространенных альтернативных способах получения электроэнергии.
Ветряные электрические станции
Ветряные электростанции способны производить электрическую энергию только в том случае, когда дует сильный ветер. «Основные современные источники энергии» ветра – ветряк, представляющий собой достаточно сложную конструкцию. В нем запрограммированы два режима работы – слабый и сильный ветер, а также есть остановка двигателя, если очень сильный ветер. Основной недостаток ветряных электростанций (ВЭС) - шум, получаемый во время вращения лопастей пропеллеров. Самыми целесообразными являются небольшие ветряки, предназначенные для обеспечения экологически безопасной и недорогой электроэнергией дачных участок или отдельных ферм.
Крупнейшая в мире ветряная электростанция «Гaньcy» мощностью почти 7,9 ГВт. находится в Китае. K 2020 году запланирован выход на мощность 20 ГВт.
В Российской Федерации в настоящее время эксплуатируется 19 Ветряных электрических станций суммарной мощностью – 134МВт.
Солнечная энергия
Ученые давно выяснили, что некоторые вещества (такие как кремний, германий) вырабатывают электричество, если на них попадает солнечный свет. Пластины из такого вещества называются фотоэлементами. Если несколько фотоэлементов соединить между собой, то получится солнечная батарея. С помощью солнечных батареек можно получать электричество, не сжигая уголь и нефть. Жаль, что пока они не очень мощные.
Солнечные батареи выглядят как плоские панели. Хороши они тем, что просты, надёжны и долговечны. Они могут быть очень маленькими, если нужно мало энергии (например, для калькулятора). А самое главное - они не загрязняют окружающую среду. При работе солнечной электростанции нет совершенно никакой грязи: нет дыма и копоти, как от тепловой электростанции, нет радиоактивных отходов, как от электростанции атомной. Одно только плохо: она не работает в пасмурный день и ей нужны большие свободные поверхности для размещения солнечных элементов. Поэтому с таким удовольствием используют солнечные батареи в космосе: туч и облаков там нет, а свободного места сколько угодно. Солнечные батареи - главные источники энергии для околоземных спутников и космических станций.
На сегодняшний день самой крупной солнечной электростанцией в мире является Солнечный парк пустыни Тенггер в Китае. Это удивительное место, которое занимает площадь 43 квадратных километра, также называется «Великая стена солнца». Максимальная мощность - около 1,5 ГВт. Индия, Саудовской Аравия и США так же стремятся к лидирующим позициям по добыче солнечной энергии.
В Российской Федерации в настоящий момент эксплуатируется 22 солнечные электростанции суммарной мощностью 75,5МВт.
Приливные электростанции
Приливные электростанции это особый вид гидроэлектростанции, использующий энергию приливов, а фактически кинетическую энергию вращения Земли. Приливные электростанции строят на берегах морей, где гравитационные силы Луны и Солнца дважды в сутки изменяют уровень воды. Среди приливных электростанций самой крупной считается Сихвинская приливная электростанция в Южной Корее. Установленная мощность - 254 МВт.
В России построено и эксплуатируется 2 приливные электрические станции, обе они расположены на берегу Баренцева моря, суммарная мощность этих станций – 190МВт.
Геотермальные электростанции
Источник геотермальной энергии – это внутренняя теплота нашей планеты. Там так горячо, что плавятся камни и вытекает жидкая магма. От высокой температуры нагреваются грунтовые воды. Они пробиваются к поверхности земли как тепловые источники и гейзеры. Выходящую горячую воду и пар можно использовать для выработки электроэнергии или использовать их по прямому назначению. Области, которые хорошо развили геотермические системы, расположены в геологически активных зонах.
Самая крупная геотермальная площадка «Гейзеры» располагается в США. Это сеть из 22 подстанций, работающих в системе. Установленная мощность - около 1,5 ГВт.
В Российской Федерации в настоящий момент эксплуатируется 4 геотермальные электростанции суммарной мощностью 77,6 МВт.
II Практическая часть
2.1 Получение электроэнергии из энергии ветра.
Цель эксперимента: получить электрическую энергию, используя силу ветра.
Ход работы:
Для проведения этого эксперимента мне понадобятся моторчик, пропеллер, светодиод, провода, фен.
Рис. 1 Подготовка к эксперименту № 1
Для начала нужно собрать электрическую схему из моторчика, светодиода и проводов. На моторчик нужно прикрепить пропеллер. Если подуть феном на пропеллер, то моторчик начинает вырабатывать электрический ток, в доказательство чего светодиод начинает гореть.
Рис. 2 Получение электроэнергии из энергии ветра
Вывод: с помощью ветра возможно получить энергию. Чем сильнее поток воздуха, тем быстрее крутится пропеллер, а значит, тем больше энергии вырабатывается.
2.2 Получение электроэнергии из солнечной энергии.
Энергию солнца люди научились использовать не так давно, но в наше время практически каждый может собрать и получить в свое распоряжение свой независимый источник электроэнергии на солнечных батареях.
Люди придумали много вещей на солнечных батареях: игрушки, калькуляторы, машины, самолеты, солнечные электростанции.
Цель эксперимента: получить электрическую энергию, используя энергию солнца.
Ход работы:
Для проведения этого эксперимента мне понадобятся плата с солнечной батареей, светодиод, провода
Рис. 3 Подготовка к эксперименту № 2
Для проведения эксперимента нужно соединить проводами солнечную батарею со светодиодом, полученную схему поставить на окно. Под воздействием солнечных лучей в нашей батарее начинается процесс преобразования солнечной энергии в постоянный электрический ток, в доказательство чего светодиод начинает гореть.
Рис. 4 Получение электроэнергии из солнечной энергии
Вывод: с помощью солнечной батареи возможно получить энергию солнца. Чем сильнее светит солнце, тем ярче горит светодиод, а значит, тем больше энергии вырабатывается.
2.2.1 Создание музыкальной блютуз-колонки, работающей от солнечной батареи
Сделав опыт по получению электрической энергии из энергии солнца, мы решили использовать полученные знания в более практических целях – сделать музыкальную блютуз-колонку, работающую от солнечной батареи.
Изготовление колонки началось с составления схемы, далее – покупка деталей на алиэкспресс и полтора месяца ожидания.
По приходу деталей мы сверили их обозначение с заказанными и проверили работоспособность. Итак, для создания колонки нам потребовалось (на рис. 12 слева направо):
- солнечная панель (235,37 руб.)
- контроллер солнечной батареи (77,78 руб.)
- плата заряда (88,77 руб.)
- усилитель (189,15 руб.),
- индикатор заряда(48,53 руб.),
- батарейный отсек (26,96 руб.)
Далее мы подготовили необходимые инструменты и рабочее место паяльник, припой, флюс, провода, различные инструменты.
В качестве корпуса колонки мы взяли картонную коробку и вмонтировали туда динамики от старого радио. Далее мы прикрепили к корпусу на клей все детали и спаяли их проводами. Вторым этапом мы припаяли провода к солнечной панели и контроллеру. Вот что у нас получилось:
Рис. 5 Собранная музыкальная блютуз-колонка
Рис. 6 Музыкальная блютуз-колонка (внутреннее устройство)
После этого настал момент испытаний. В квартире не хватает солнечного света, чтоб панель вырабатывала необходимые 5 вольт, а всего 2,5 вольта. Поэтому нам пришлось выйти на улицу. Наше устройство заработало, мы запечатлели этот факт на видео.
Посчитав затраты на изготовление нашей колонки, мы выяснили, что она обошлась нам в 670 руб. включая доставку. Аналогичная музыкальная Bluetooth-колонка в магазине отсутствует, а просто колонка, без солнечных батарей стоит около 2,5 тыс. руб. Выгода составляет 1820 руб. В перспективе мы рассматриваем вопрос патентования данного устройства.
Заключение
В ходе проделанной работы были изучены понятия «энергия», «традиционные» и «альтернативные источники энергии». В теоретической части работы подробно рассмотрены тепловые, атомные и гидроэлектростанции, а также ветряные, приливные, геотермальные электростанции и энергия солнца. Кроме того, приведены примеры самых крупных электростанций, расположенных в различных странах мира.
В практической части были проведены эксперименты по получению электроэнергии из солнечной энергии и энергии ветра. Тем самым была доказана возможность существования неиссякаемых источников энергии, не загрязняющих окружающую среду.
Изучив различные виды источников энергии, я понял, что не все источники энергии одинаково эффективны. В связи с этим в ближайшем будущем основными источниками энергии так и останутся уголь, газ и нефть. Но все эти природные ресурсы скоро иссякнут, кроме того их использование очень пагубно влияет на окружающую среду, поэтому человечеству уже сейчас необходимо искать новые виды источников энергии.
У каждого вида рассмотренных альтернативных источников энергии есть свои особенности, достоинства и недостатки: солнечные электростанции занимают много места, ветряные – гудят, приливные и геотермальные электростанции можно построить только в определенных местах.
Но все же, отвечая на вопрос, «Есть ли будущее у альтернативных источников энергии?», можно с уверенностью сказать, что оно существует.
Сейчас разработки проектов альтернативной энергии будущего набирают все больше оборотов. Человечество стремится к более комфортной и безопасной жизни. И ее обеспечение требует постоянных изменений, открытий и инноваций. Люди хотят жить в прогрессивном мире, при этом, нанося как можно меньший урон окружающей среде, сохраняя и грамотно используя всевозможные ресурсы.
+Список литературы:
А.В. Перышкин «Физика. 7 класс: учебник для общеобразовательных учреждений». Изд. Дрофа, Москва, 2013 г.
М.В. Голицын, А.М. Голицын, Н.В. Пронина «Альтернативные энергоносители». Изд. Наука, Москва, 2004 г.
В. Германович, А. Турилин «Альтернативные источники энергии и энергосбережение». Изд. Наука и Техника, Санкт-Петербург, 2014 г.
http://открытыйурок.рф/статьи/578905/
http://electricalschool.info/energy/1072-istochniki-jelektricheskojj-jenergii.html
https://vseonauke.com/1475338544729557999/samye-moschnye-stantsii-alternativnoj-energetiki-v-mire/