IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Бесконечная энергия

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Рейм М.А. 1

---

1МБОУ Гимназия №17

Аксенова Н.В. 1

---

1МБОУ Гимназия №17

Работа в формате PDF

2.3 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Как-то раз, во время одного из путешествий по Пермскому краю, я увидел на берегу Камы сооружение, снабженное двумя огромными трубами. На вопрос: «Что это такое?», я получил ответ: «Это Пермская ГРЭС» (рис. 1). Мне стало интересно, и я выяснил, что Пермская ГРЭС – самая мощная электростанция Пермского края, и она является крупным производителем электроэнергии Урала и одним из основных поставщиков электроэнергии в Уральский и Приволжский регионы. Также я выяснил, что основной вид топлива, используемый Пермской ГРЭС – природный газ. Мне стало интересно, как ещё можно получить необходимую электроэнергию, не используя полезные ископаемые. Так получилось небольшое исследование, которое представлено ниже.

Цель работы: определить, как можно получить энергию без использования полезных ископаемых.

Задачи:

дать определение энергии

классифицировать виды и источники энергии

разобраться, какие есть невозобновляемые, возобновляемые и альтернативные источникои энергии

понять, какие источники энергии преобладают в энергоснабжении Пермского края

опытным путём установить возможность получения «бесконечной» энергии и выяснить, какой из источников является оптимальным для Пермского края

Энергия

ЭНЕРГИЯ – «общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи.

Термин «энергия» происходит от греческого слова ἐνέργεια («эргазиа»), которое впервые появилось в работах Аристотеля и обозначало действие или действительность. Это слово, в свою очередь, произошло от греческого ἔργον («эргон») – «работа». Понятие Энергии связывает воедино все явления природы».¹

Виды энергии

Кинетическая

Потенциальная

Электромагнитная

Гравитационная

Ядерная

Внутренняя

Химический потенциал

Энергия взрыва

Энергия вакуума

Осмотическая энергия.

Источники энергии

Источники энергии – встречающиеся в природе вещества и процессы, которые позволяют человеку получить необходимую для существования энергию.

Классификация источников

Условно источники энергии можно поделить на три типа: невозобновляемые, возобновляемые и альтернативные, или «бесконечные». К первым относятся газ, нефть, уголь, уран и т. д. Технология получения и преобразования энергии из этих источников отработана, но, как правило, неэкологична, и многие из них истощаются. Ко вторым относится биотопливо – топливо из растительного или животного сырья. К альтернативным источникам можно отнести энергию солнца, энергию, получаемую на гидроэлектростанциях и т. д. (табл. 1).

Невозобновляемые энергетические ресурсы

Нефть

«Нефть – природная маслянистая горючая жидкость со специфическим запахом, состоящая в основном из сложной смеси углеводородов различной молекулярной массы и некоторых других химических соединений»² (рис. 2).

Нефть это довольно удобный и компактный энергоноситель, и отличное сырье для производства бензина. Бензин удобен тем, что это высококалорийное жидкое топливо, что позволяет его применять в двигателях с более высоким КПД, чем уголь.

Недостатком нефти является то, что в результате её применения происходит загрязнение окружающей среды углеводородами, и продуктами её сгорания. Так же многие органические соединения, созданные из нее, не имеют аналогов в природе, и как следствие не разлагаются, загрязняя окружающую среду.

Природный газ

Природный газ – большое скопление газов, образовавшихся в недрах Земли при анаэробном разложении органических веществ (рис. 3).

Человечество знает о существовании природного газа давно. И, хотя уже в IV веке до н. э. в Китае его научились использовать для отопления и освещения, долгое время яркое пламя, не оставляющее пепла, являлось предметом мистического и религиозного культа для некоторых народов.

Природный газ широко применяется в качестве горючего в жилых, частных и многоквартирных домах для отопления, подогрева воды и приготовления пищи; как топливо для машин (газобаллонное оборудование автомобиля, газовый двигатель), котельных, ТЭЦ, различной техники и др. Сейчас он используется в химической промышленности, как исходное сырьё для получения различных органических веществ, например, пластмасс.

Для обнаружения утечек газа без использования специальных приборов в него добавляют в безвредных концентрациях этантиол, обладающий резким характерным запахом.

В экологическом отношении природный газ является самым чистым видом органического топлива. При его сгорании образуется значительно меньшее количество вредных веществ по сравнению с другими видами топлива.

Уголь

Уголь является наиболее распространённым и используемым ископаемым топливом. Открытие промышленных свойств угля запустило промышленную революцию, а темпы его потребления растут до сих пор (рис. 4).

Ископаемый уголь образовался как из частей древних растений, так и в значительной степени из битумных масс, излившихся на поверхность планеты.

Преимущества угля для электрификации:

Уголь широко распространен, и его месторождений множество по всему миру. Это очевидное преимущество любой экономики в условиях, когда снабжение нефтью и природным газом (метаном) становится ненадежным или цены на них – непредсказуемыми.

Современные электростанции, работающие на угле, достаточно эффективны и выбрасывают гораздо меньше вредных отходов, чем их ранние предшественники.

Камеры сгорания электростанций, сжигающие угольную пыль, достаточно гибки – их можно легко переналадить. Они способны сжигать как любой вид угля – от лигнита (бурого или мягкого угля) до антрацита (каменного или твердого угля), так и нефть и/или метан.

Недостатки угля для электрификации:

Запасы доступного угля велики, но не бесконечны. В лучшем случае использование угля предоставит отсрочку, необходимую для радикального решения глобальной проблемы электроэнергообеспечения.

Сжигание угля приводит к меньшим, чем это было раньше, выбросам вредных веществ, однако при этом все же выделяются углекислота (диоксид углерода – С02, известный как парниковый газ), угарный газ (окись углерода – СО), окиси серы и азота (SO и NO), а также ртутные соединения. Современные контрольно-измерительные приборы и автоматика сокращают выбросы и уменьшают загрязнение окружающей среды, но в странах с развивающейся экономикой они используются не всегда.

Угольные шахты надолго оставляют уродливые шрамы на теле Земли, а их работа чревата утечкой токсичных материалов – свинца, ртути или мышьяка.

Вода, используемая в котлах электростанций, работающих на угле, аккумулирует загрязнители окружающей среды. При замене этой воды от них необходимо избавляться, что повышает затраты на выработку электроэнергии.

Ядерная энергетика (Атомная энергетика)

Отрасль энергетики, занимающаяся производством электрической и тепловой энергии путём преобразования ядерной энергии (рис. 5). Обычно для получения ядерной энергии используют цепную ядерную реакцию деления ядер плутония-239 или урана-235. Ядра делятся при попадании в них нейтрона, при этом получаются новые нейтроны и осколки деления. Нейтроны деления и осколки деления обладают большой кинетической энергией. В результате столкновений осколков с другими атомами эта кинетическая энергия быстро преобразуется в тепло.

Ядерная энергия производится в атомных электрических станциях, используется на атомных ледоколах, атомных подводных лодках.

Возобновляемые энергетические ресурсы

Биото́пливо – топливо из растительного или животного сырья, из продуктов жизнедеятельности организмов или органических промышленных отходов.

Различается жидкое биотопливо (для двигателей внутреннего сгорания, например, этанол, метанол, биодизель), твёрдое биотопливо (дрова, брикеты, топливные гранулы, щепа, солома, лузга) и газообразное (синтез-газ, биогаз, водород).

«Российские ученые из Объединенного института высоких температур (ОИВТ) РАН и МГУ разработали и успешно испытали установку для превращения биомассы микроводорослей в биобензин. Полученное топливо, перемешанное с обычным бензином, было испытано в двухтактном двигателе внутреннего сгорания. Новая разработка позволяет переработать сразу всю биомассу водорослей, без её высушивания. Ранее применявшиеся попытки получения биобензина из водорослей предусматривали стадию сушки, которая по энергозатратам превосходила энергоэффективность полученного топлива. Теперь эта проблема решена. Быстрорастущие микроводоросли гораздо более продуктивно перерабатывают энергию солнечного света и углекислого газа в биомассу и кислород, чем обычные наземные растения, поэтому получение биотоплива именно из них очень перспективно».³

Альтернативные энергетические ресурсы

«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».⁴

Гидроэнергетика

Гидроэне́ргия – первый широко используемый для технологических целей вид энергии. Гидроэнергия использовалась с древних времён, для молки муки и других нужд. При этом приводом служил колёсный механизм, вращаемый потоком воды. Гидроэлектроста́нция (ГЭС) – электростанция, использующая в качестве источника энергии энергию водных масс в русловых водотоках и приливных движениях (рис. 6). «По состоянию на 2017 год в России имеется 15 действующих гидроэлектростанций мощностью свыше 1000 МВт, и более сотни гидроэлектростанций меньшей мощности (табл. 2).»⁵

Преимущества:

использование возобновляемой энергии;

очень дешёвая электроэнергия;

работа не сопровождается вредными выбросами в атмосферу;

быстрый (относительно ТЭЦ/ТЭС) выход на режим выдачи рабочей мощности после включения станции.

Недостатки:

затопление пахотных земель;

строительство ведётся только там, где есть большие запасы энергии воды;

горные реки опасны из-за высокой сейсмичности районов.

Ветроэнергетика

Ветроэнергетика – отрасль энергетики, специализирующаяся на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую, механическую, тепловую или в любую другую форму энергии, удобную для использования в народном хозяйстве. Такое преобразование может осуществляться такими агрегатами, как ветрогенератор (рис. 7) (для получения электрической энергии), ветряная мельница (для преобразования в механическую энергию), парус (для использования в транспорте) и другими.

Энергия ветра – это чистая и возобновляемая энергия, но она прерывистая, с вариациями в течение дня и сезона, и даже от года к году. Ветряные турбины работают около 60% времени в год в ветреных регионах. Для сравнения, угольные заводы работают примерно на 75-85% от общей мощности.

Большинство турбин производят энергию более 25% времени, этот процент растет зимой, когда дуют более сильные ветры.

В случаях, когда ветряные турбины подключены к большим электрическим сетям, прерывистый характер энергии ветра не влияет на потребителей. Безветровые дни компенсируются другими источниками энергии, такими как угольные электростанции или гидроэлектростанции, которые подключены к сетке.

Гелиоэнергетика

Солнечная энергетика – направление альтернативной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде (рис. 8). Солнечная энергетика использует возобновляемый источник энергии и является «экологически чистой», то есть не производящей вредных отходов во время активной фазы использования.

Достоинства

перспективность, доступность и неисчерпаемость источника энергии в условиях постоянного роста цен на традиционные виды энергоносителей;

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

зависимость от погоды и времени суток;

сезонность в средних широтах и несовпадение периодов выработки энергии и потребности в энергии. Нерентабельность в высоких широтах, необходимость аккумуляции энергии;

при промышленном производстве – необходимость дублирования солнечных энергетических установок традиционными сопоставимой мощности;

высокая стоимость конструкции, связанная с применением редких элементов (к примеру, индий и теллур);

необходимость периодической очистки отражающей/поглощающей поверхности от загрязнения;

нагрев атмосферы над электростанцией;

необходимость использования больших площадей;

сложность производства и утилизации самих фотоэлементов в связи с содержанием в них ядовитых веществ, например, свинец, кадмий, галлий, мышьяк и т. д.

Энергетика Пермского края

«Энергетическая система Пермского края является одной из наиболее крупных и развитых энергосистем субъектов РФ и входит в состав Объединенной энергетической системы Урала (далее – ОЭС Урала). Суммарная установленная мощность генерирующего оборудования электростанций Пермского края на 01.01.2018 составляет 7 891,3 МВт (табл. 3).

В топливном балансе Пермского края газ занимает 94%, уголь – 4%, возобновляемые источники – всего 0,023%. Газ и уголь в регион завозятся, поэтому комплексное использование местных ископаемых, нетрадиционных возобновляемых источников энергии является особо актуальной проблемой

Пермский край расположен в бассейне реки Камы. По его территории протекает около 29 тысяч рек протяженностью свыше 88 тыс. км. Гидроэнергетические ресурсы в крае достаточно велики. По количеству водоемов, водным и гидроэнергетическим ресурсам Пермский край занимает первое место на Урале».⁶

Альтернативная энергетика в Пермском крае

Использование ветровой и солнечной энергии на территории Пермского края затруднено из-за низкой интенсивности ветров, низкой солнечной активности, обусловленной географической широтой района и климатическими условиями. Геотермальная энергия на территории Пермского края не используется. Это связано с тем, что на территории края слои грунтов с высокой температурой залегают глубоко. Использование биотоплива, заключающееся в сжигании дров или отходов деревопереработки, проводится на 70 котельных Пермского края. Дровами отапливаются частные дома в селах района.

Практическая часть

Одной из задач своей работы является подтверждение опытным путём возможности получения «бесконечной» энергии. В этом мне поможет Электронный конструктор «Знаток. Альтернативная энергия» (рис. 9).

Данный конструктор интересен тем, что позволяет выработать электрическую энергию с помощью т.н. альтернативных, «бесконечных» источников, а именно:

Солнечная батарея

Ручной генератор

Ветрогенератор

Помимо деталей – источников электрической энергии, данный конструктор снабжен мультиметром. Мультиметр – бытовой прибор, позволяющий измерить различные характеристики электрического тока. Данный мультиметр позволяет измерить напряжение и силу тока.

Выработанную электрическую энергию измеряют с помощью такого параметра, как мощность, который измеряется в Ваттах. Это расчётная величина, которая определяется путём умножения напряжения на силу тока. Измерив мощность полученной из разных источников энергии, я смогу сделать выводы, какой из источников, участвующих в исследовании, наиболее эффективен. Таким образом, я смогу не только получить «бесконечную» энергию, но и сделать выводы об эффективности различных источников.

Для того чтобы достигнуть поставленной цели, мне необходимо:

провести исследования и записать результаты

произвести расчёты и сравнить полученные данные

сделать выводы

Проведение исследования

Эксперимент № 1

Солнечная батарея – это набор фотоэлементов, которые преобразуют свет в электрическую энергию. Причём, она может преобразовывать в электричество не только солнечный свет, но и свет от лампы. Это как раз то, что нужно. Для проведения исследования мне понадобится:

Солнечная батарея

Провода

Мультиметр

Настольная лампа (рис. 10)

По итогам измерения я получил следующие результаты:

Напряжение: ≈ 4 в

Сила тока: ≈ 0,5 мА

Эксперимент № 2

Ручной генератор – при вращении ручки генератора, на его выходе вырабатывается электрическое напряжение. Чем быстрее вращается ручка, тем большее напряжение. Принцип работы аналогичен турбине в гидроэлектростанции, только в ГЭС используется не мускульная сила человека (как во время исследования), а энергия движения водных масс. Для проведения исследования мне понадобится:

Генератор ручной

Провода

Мультиметр

Движущая сила руки (рис. 11)

По итогам измерения я получил следующие результаты:

Напряжение: ≈ 5 в

Сила тока: ≈ 5 мА

Эксперимент № 3

Ветрогенератор – по аналогии с ручным генератором, преобразует механическое движение в электрический ток, только вместо мускульной силы здесь будет использоваться сила ветра, генерируемая с помощью фена. Для проведения исследования мне понадобится:

Ветрогенератор

Провода

Мультиметр

Фен (рис. 12)

По итогам измерения я получил следующие результаты:

Напряжение: ≈ 4 в

Сила тока: ≈ 4 мА

Расчёты

Для объективного сравнения полученных данных мне необходимо привести их к единицам измерения мощности, т.е. к ваттам.

Для этого нужно перемножить полученное напряжение на полученную силу тока.

Итоги полученных расчётов представлены в таблице (табл. 4)

Таблица 4 «Итоги расчётов»

Выводы

Как показали результаты проведённых исследований, максимально эффективным источником «бесконечной» энергии является механическая энергия, выработанная с помощью ручного генератора (принцип работы ГЭС). В то же время солнечная энергия и энергия ветра является менее эффективным способом получения электрической энергии.

На основании проведённого исследования можно сделать вывод, что для территории Пермского края энергия воды является наиболее эффективным источником получения энергии из альтернативных, т.е. бесконечных источников.

Я надеюсь, что со временем человечество сможет отказаться от использования невозобновляемых ресурсов в пользу бесконечных источников энергии – это будет залогом здорового существования нашей планеты!

Список использованных источников литературы

«Энергия»

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B8%D1%8F

«Энергетические ресурсы»

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B5%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B5_%D1%80%D0%B5%D1%81%D1%83%D1%80%D1%81%D1%8B

«Российские ученые научились получать биобензин из водорослей»

https://ria.ru/20190517/1553576757.html

«Возобновляемые источники энергии»

https://energy.hse.ru/Wiie

«Гидроэлектростанция»

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B8%D0%B4%D1%80%D0%BE%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BD%D1%86%D0%B8%D1%8F

«Энергетика Пермского края»

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0_%D0%9F%D0%B5%D1%80%D0%BC%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%B3%D0%BE_%D0%BA%D1%80%D0%B0%D1%8F

Приложения

Рисунок 1 «Пермская ГРЭС»

Таблица 1 «Ресурсы энергии и их запасы»

Рисунок 2 «Нефть»

Рисунок 3 «Газ»

Рисунок 4 «Уголь»

Рисунок 5 «Ядерная электростанция»

Рисунок 6 «Гидроэлектростанция»

Таблица 2 «Крупнейшие гидроэлектростанции России»

Рисунок 7 «Ветрогенератор»

Рисунок 8 «Солнечная батарея»

Таблица 3 «Крупнейшие электростанции Пермского края»

Рисунок 9 «Электронный конструктор «Знаток»

Рисунок 10 «Эксперимент № 1»

Рисунок 11 «Эксперимент № 2»

Рисунок 12 «Эксперимент № 3»