Математика и экология

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

Математика и экология

Новиков Н.Я. 1
1АНОО "Гимназия "Ковчег"
Ситникова О.А. 1
1АНОО "Гимназия "Ковчег"
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

Введение

 

Проблемы экологии сегодня становятся не просто главными в развитии общества, но и весьма острыми для самого выживания человека. Вредные выбросы, сбросы и отходы производства и потребления нарушают экологический и энергетический баланс нашей планеты и ведут к глобальному изменению климата на Земле, которое с каждым годом становится все ощутимее.

Наша цель в исследовательской работе - показать, что экология тесно связана с различными науками, а конкретно с математикой. Экология — точная наука. Взаимодействие между организмами и окружающей средой оценивается не только качественно, но и количественно.

Математические методы используются не только в выявлении экологических проблем, но и в их решении. Своими задачами мы хотим поставить именно эти вопросы.

Попробуем выявить проблему загрязнения экологии на простом примере. А затем попробуем ее решить понятным всем, даже ученику начальной школы способом. Речь идет о рациональном использовании окружающей среды, а выбранный путь - это экономия электроэнергии на бытовом уровне в самой обычной квартире.

1. Зависимость общества от энергетики и применение аналитической математической модели для оценки масштаба проблемы

В нашем мире ни шагу нельзя ступить без использования электроэнергии. Электричество очень важно для нормального существования человечества, и потребности человека в электроэнергии постоянно возрастают, поэтому энергетика является объектом самого пристального общественного внимания, проблемы обеспечения ее безопасности и экологичности волнуют в настоящее время широкие слои нашего общества.

Наряду с положительным эффектом (производством электроэнергии) электростанции могут оказывать отрицательное воздействие на окружающую человека природную среду. Это воздействие различно по характеру и степени в зависимости от типа электростанции.

Структуру производства электроэнергии на настоящий момент можно увидеть на диаграмме:

Распределение объемов производства электроэнергии электростанциями различных типов

Самую большую долю занимают тепловые электрические станции (ТЭС). Они же являются для экологии самыми проблемными.

Тепловые электростанции работают по такому принципу: топливо сжигается в топке парового котла. Выделяющееся при горении тепло испаряет воду, циркулирующую внутри расположенных в котле труб, и перегревает образовавшийся пар. Пар, расширяясь, вращает турбину, а та, в свою очередь, – вал электрического генератора. Затем отработавший пар конденсируется; вода из конденсатора через систему подогревателей возвращается в котел.

Тепловые электростанции работают на органическом топливе, и их строят обычно вблизи мест добычи топлива. Тепловые электростанции используют в качестве топлива сравнительно дешевые уголь и мазут. Но эти виды топлива – невосполнимые природные ресурсы. Основные энергетические ресурсы в мире сегодня – уголь (40%), нефть (27%), газ (21%). Этих запасов, по некоторым оценкам, хватит, соответственно, на 270, 50 и 70 лет, и то при условии, что человечество будет расходовать их с той же скоростью, с какой расходует сегодня.

Из-за недостатка добываемого угля снижается его качество; увеличились затраты на его транспортировку, так как многие месторождения энергетических ресурсов уже исчерпаны. Усилился экологический контроль над производством и использованием топлива. Так как не хватает качественного топлива, ТЭС работают на низкосортном. Сжигание углей низкого качества приводит к резкому снижению КПД ТЭС и, как следствие, к перерасходу топлива, а также к загрязнению атмосферы.

В процессе сгорания топлива образуются вредные вещества (см. таблицу-1), которые выводятся в атмосферу с дымом и попадают в почву с золой. Помимо того, что эти выбросы неблагоприятно влияют на окружающую среду, продукты сгорания вызывают парниковый эффект, который грозит нам засухами.

В таблице-1 приведена аналитическая математическая модель по выбросам с дымовыми газами вредных веществ ТЭС мощностью 2400 МВт. Как видно из данных, концентрация выбросов существенно зависит от расстояния между точкой замера и электростанцией. Концентрации выбросов ниже предельно допустимых значений достигаются на расстоянии более 15 км.

Таблица-1. Суточные концентрации выбросов в атмосферу ТЭС, мг/м3

Расстояние от трубы

Сернистый газ

Сероводород

Окислы азота

Окись углерода

Зола

1 км

6,02

0,002

1,95

7,2

1,2

3 км

1,47

0,008

1,30

16,0

3,4

5 км

1,22

0,008

0,05

13,3

1,2

7 км

1,12

0,03

1,3

13,0

2,4

15 км

0,22

0,002

0,03

4,0

0,27

Предельно допустимая концентрация

0,5

0,008

0,085

3,0

0,5

В настоящее время имеются четыре направления борьбы с загрязнителями приземной атмосферы:

оптимизация процесса сжигания топлива;

очистка топлива от элементов, образующих при сжигании загрязняющие вещества;

очистка дымовых газов от загрязняющих веществ;

рассеивание загрязнителей в атмосферном воздухе.

Но эти направления разрабатываются глобально самим государством, а как же мы можем поучаствовать в решении выявленной проблемы? Ведь она, в первую очередь, актуальна для нас с вами. В нашем регионе преимущественно используется электроэнергия, произведенная ТЭС, вспомните, как далеко находятся трубы этих ТЭС от нас, и Вы поймете, насколько важно самим позаботиться о своем здоровье.

2. Экономим киловатты

Чтобы процесс загрязнения от отходов ТЭС уменьшился, нужно сократить интенсивность их использования, т.е., чтобы они меньше производили электроэнергии. Государство может найти замену недостающей энергии, используя более экологичные источники ее создания, а мы можем научиться меньше ее расходовать, найдя пути экономии.

Конечно, поменять свое привычное поведение сиюминутно сложно. Однако если постепенно вводить в обиход новые привычки, счета за электричество будут становиться все меньше и меньше.

И вот тут самое время поделиться еще одной радостью от каждого сэкономленного киловатт-часа. Вы, кстати, знаете, что 1 кВт*ч — это примерно та энергия, которую необходимо затратить, чтобы разогнать груженый «КамАЗ» до скорости 80 км/час? Электроэнергия достается нашей планете не так просто. Вы наверняка слышали про грозящее нам глобальное потепление и парниковый эффект. Так вот, сейчас эксперты сходятся на том, что это уже не рассуждения, а реальность. И цена нашего все усиливающегося влияния на климат — не только повышение температуры, но и увеличение количества стихийных бедствий.

Так вот, каждый сэкономленный Вами 1 кВт*ч равен 4-6 кВт*ч, сэкономленным на этапе выработки. Выработка 1кВт*ч энергии в мире в целом связана с выбросами примерно 800 г СО2. То есть холодильник класса А+ с энергопотреблением 190 кВт*ч/год способен сократить выбросы СО2 минимум на 200 кг по сравнению с использованием техники класса В. Посчитаем: 450 кВт*ч/год-190 кВт*ч/год=260 кВт*ч/год * 800 г. = 208 кг.

Как мы можем экономить электроэнергию и в каком размере? Есть много способов, приведем пример некоторых:

Выключайте свет! Уходя, гасите свет! Выключайте освещение, если вы выходите из комнаты даже на время.

Выключайте электроприборы! Очень важно не забывать выключать электроприборы, которыми вы не пользуетесь, из розеток. Даже если микроволновая печь ничего не подогревает, но включена в розетку, так сказать, находится «в режиме ожидания», она потребляет электрическую энергию. Да, в незначительном количестве, но вспомните все приборы, которые тоже «ждут». В итоге, набегает существенный дополнительный расход. Что интересно, потребляют даже зарядные устройства, которые мы забываем вытащить из розетки, после окончания подзарядки устройства. Экономия составит от 1,5 кВт в месяц. Точнее сказать сложно, потому что все зависит от количества электроприборов в квартире. В процентах экономия электроэнергии находится в диапазоне от 1 до 5%.

Используйте естественный свет! Попробуйте максимально использовать естественное освещение. Проверьте чистоту ваших оконных стекол, а днем просто уберите занавески на окнах.

Хитрости с электроплитой. Электрическую плиту можно выключить за пять минут до готовности блюда. Она не успеет остыть это время. То есть если плита потребляет от 4 до 8 кВт/ч, то таким образом можно сэкономить от 80 Вт до 150 Вт за одно приготовление, при условии, что работала только одна конфорка. В расчёте месяца экономия составляет от 2,4 до 5 кВт, если готовить по 1 разу в день на 1 конфорке. Существенная экономия происходит, если подбирать посуду правильного диаметра. Когда мы ставим на плиту кастрюлю меньшего диаметра, то тепло тратится на обогрев воздуха. Экономим от 1% всего расхода за месяц в зависимости от плиты и частоты приготовления пищи.

Не покупайте электрочайники! Если в квартире есть газ, то о существовании электрических чайников стоит забыть. Современные газовые плиты используют минимальное количество энергии, потому что нужна она только на поджег. Грея чайник на газу, затрат на электроэнергию нет. Электрический чайник считается «монстром» по потреблению энергии. В среднем мощность его составляет от 1,5 до 2,5 кВт/ч. Допустим, мы греем чайник 3 раза в день по 5 минут. Дневной расход энергии равен от 380 Вт до 630 Вт в день. За месяц соответственно выходит от 11 кВт до 19 кВт.

Совет для тех, кто не может отказаться от электрического чайника: грейте ровно столько воды сколько нужно. Воду нельзя греть впрок, потому что она остынет, а расход на подогрев увеличится. Своевременно удаляйте накипь внутри электрочайника. Она проводит тепло почти в 30 раз хуже, чем металл, поэтому значительно увеличивает количество энергии, необходимое для кипячения воды.

Приобретайте качественную бытовую технику. У современной бытовой техники, есть один очень важный параметр, на который мы часто не обращаем внимание. Называется он «класс энергоэффективности». Для того чтобы экономить энергию, нужно выбирать технику, класс которой не ниже А. Потребление у такой техники ниже норматива на 58-70%. Обычно экономичная техника значительно дороже обычной, но потребляет меньше. Оценить реальную выгоду от использования таких приборов достаточно сложно. Экономия находится в широком промежутке от 5 до 30%.

Правильно расположите холодильник. Холодильник – прибор, который никогда не выключают из сети. У современных холодильников потребление варьируется в зависимости от различных условий. Они «адаптируются» под окружающие условия. Поэтому его нужно расположить дальше от источников тепла и света (в стороне от окна и батарей). От стены должен быть зазор не меньше 10 см, чтобы прибор мог эффективно охлаждаться и не расходовал дополнительную энергию. Современные холодильники потребляют от 20 до 40 кВт в месяц. Правильное расположение прибора позволит расходовать минимально возможное для него количество энергии. Не ставьте в холодильник горячие или теплые продукты, дайте им сначала остыть до комнатной температуры. Экономия может достигать 5%.

Используя пылесос, помни: своевременно вытряхивайте пыль, чем чаще тем лучше. Полный пылесос на 40% потребляет больше. При переходе из комнаты в комнату, старайтесь не выключать пылесос, пусковые токи двигателя пылесоса, велики и расходую намного больше электроэнергии. Используйте нужный, для данной поверхности, режим. Ведь для гладкого пола и ковра требуется разная мощность.

Экономьте электроэнергию при стирке. Устанавливайте более низкую температуру на стиральной машине. Старайтесь полностью загружать стиральную машину. Это может сократить потребление электроэнергии на 80%.

Установите многотарифный счетчик. Еще один эффективный способ экономии электрической энергии – это многотарифный счетчик. Принцип его работы заключается в том, что прибор по отдельности учитывает энергию, которая расходовалась с 23.00 до 7.00, и ту, которая расходовалась в остальное время. Да, подавляющее большинство из нас спят в ночное время, но техника продолжает работать. К примеру, никто не выключает на ночь холодильник. Жители мегаполисов часто встают в 5-6 утра, чтоб вовремя попасть на работу, поэтому на это время приходится большой расход энергии, за которую вы заплатите по сниженному тарифу. За ночное время расходуется около 30% всей электроэнергии, которая стоит почти в 4 раза дешевле, чем вся остальная.

Замену ламп накаливания на более энергоэффективные рассмотрим подробнее. В семейном бюджете расходы на оплату освещения помещений занимают более трети всех расходов, поэтому детальнее исследуем способы сбережения.

В наших квартирах для освещения чаще всего используются лампы накаливания, хотя тенденция их замены на энергосберегающие и светодиодные постоянно набирает обороты. Зачем нам менять лампы накаливания, ведь они гораздо дешевле? Да, они дешевые, но в обслуживании и потреблении электроэнергии они намного уступают современным лампам. Сделаем сравнительный анализ трех типов ламп и найдем аналоги среди них с одинаковыми световыми потоками, представим их в виде таблицы-2.

Таблица-2. Аналоги ламп накаливания

Световой поток

Лампа накаливания

Энергосберегающая

Светодиодная

~250 Лм

20 Вт

5 Вт

2 Вт

~400 Лм

40 Вт

10 Вт

4 Вт

~700 Лм

60 Вт

15 Вт

6 Вт

~900 Лм

75 Вт

18 Вт

8 Вт

~1200 Лм

100 Вт

25 Вт

11 Вт

Из таблицы видно, что энергосберегающие лампы эффективнее ламп накаливания примерно в 4 раза. А светодиодные почти в 10 раз!

Сделаем сравнительный анализ использования всего одной самой популярной (световой поток равен ~700 Лм) лампы разных типов, при использовании за разный промежуток времени и просчитаем выгоду использования современных ламп, вместо ламп накаливания, представим результаты в виде таблицы - 3.

Таблица-3. Сравнение за разный промежуток времени

Промежуток времени

Лампа накаливания

Энергосб.

Экономия при энергосб.

Светодиод.

Экономия при светодиодной

t

Wнак=60*t

Wэн=15*t

W=Wнак-Wэн

Wсв=6*t

W=Wнак-Wсв

1 час

60 Вт

15 Вт

35 Вт

6 Вт

54 Вт

1 день (5 ч)

300 Вт

75 Вт

225 Вт

30 Вт

270 Вт

1 мес (30 дн)

9 кВт

2,3 кВт

6,7 кВт

900 Вт

8,1 кВт

1 год (365 д)

109,5 кВт

27,4 кВт

82,1 кВт

11 кВт

98,5 кВт

10 лет

1095 кВт

274 кВт

930 кВт

110 кВт

985 кВт

Из таблицы-3 видно, что чем больше период времени, тем экономия ощутимее. Например, если заменить дома всего одну лампу накаливания 60 Вт на аналогичную светодиодную, то за год экономим около 100 кВт. А это почти 80 кг выбросов СО2 в атмосферу.

А теперь из таблицы - 3. возьмем период за 1 год (365 дней), при использовании лампы в день в течении 5 часов и допустим, что в квартире используется 10 ламп, 20 ламп. Просчитаем экономию за год для этого количества ламп, представим результаты в виде таблицы 4.

Таблица-4. Сравнение при наличии разного кол-ва ламп в квартире

Кол-во ламп

Лампа накаливания

Энергосб.

Экономия при энергосб.

Светодиод.

Экономия при светодиодной

k

Wнак*k

Wэн*k

W

Wсв*k

W

1 шт за год

109,5 кВт

27,4 кВт

82,1 кВт

11 кВт

98,5 кВт

10 шт за год

1095 кВт

274 кВт

930 кВт

110 кВт

985 кВт

20 шт за год

2190 кВт

548 кВт

1642 кВт

220 кВт

1970 кВт

Из таблицы-4 видно, что если заменить дома 10 лам накаливания 60 Вт на аналогичные светодиодные, то за год экономим около 985 кВт. А это почти 780 кг выбросов СО2 в атмосферу.

Из всех 3-х таблиц видно, что самые выгодные лампы светодиодные, они во много раз обогнали лампы накаливания и оставили позади энергосберегающие лампы. Хотя светодиодные лампы гораздо дороже энергосберегающих и ламп накаливания, у них есть еще много плюсов, которые перекроют их дороговизну, рассмотрим отличия светодиодных ламп от ламп накаливания и энергосберегающих на картинках:

Проанализировав отличия ламп разных типов, можно назвать светодиодную лампу победителем, одно из важных отличий ее от энергосберегающих это отсутствие тяжелых металлов и ртути, а это еще один плюс для защиты окружающей среды.

Таким образом можно сделать вывод, что замена ламп накаливания на светодиодные лампы позволит не только сократить количество вредных выбросов в атмосферу, сохранить невосполнимые природные ресурсы, но и предотвратить загрязнение тяжелыми металлами и ртутью, в отличии от энергосберегающих ламп. И еще семейный бюджет получит в перспективе хорошую экономию!

Заключение

Проведя исследование в нашей работе, мы доказали, что наука «Математика» вплотную связана с экологией и позволяет не только выявлять причины экологических проблем, но и участвовать в их решении. И с помощью математических расчетов мы можем сэкономить довольно много денег!

В нашей семье мы решили ввести принципы правильного экологического поведения, и призываем всех последовать нашему примеру.

Сделать мир чище - проще чем кажется. Достаточно начать с себя. Приучить к порядку, и все время помнить, как много может сделать каждый человек для своей жизни и для всей планеты.

Я оптимист. Мне верится, что однажды каждая российская семья будет поступать в быту обдуманно. Взамен за наши усилия мы получим чистые реки, обретём чистые дворы, природа обретет первозданную красоту, а мы – уверенность в завтрашнем дне.

Список использованных источников:

1. Госпрограмма РФ «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года»

2. ФЗ от 23.11.2009г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергоэффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты РФ»

3. Неделя энергосбережения в школе: сб. метод. Материалов// сост. Ж. Г.Дворецкая, С. Н.Кузьменко. – Мн.: Зорны Верасок, 2010.

4. http://svetdv.ru/calculator/

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Таблица сравнения различных видов ламп освещенности

Вид лампы

Светодиодная

Энергосберегающая

Накаливания

Потребляемая мощность, кВт

0,013

0,025

0,1

Ресурс лампы, часы

50 000

8 000

1 000

Стоимость лампы, руб.

248

200

11

Стоимость часа эксплуатации = тариф × мощность + стоимость лампы ⁄ ресурс, руб.

0,0749

0,1595

0,549

Часовая экономия = стоимость эксплуатации лампы накаливания − стоимость эксплуатации сравниваемой лампы, руб.

0,4741

0,3895

Срок окупаемости в часах = (стоимость лампы − стоимость лампы накаливания) ⁄ часовая экономия, часы

499,89

485,24

Срок окупаемости в днях = срок окупаемости в часах ⁄ 8, дни

62,49

60,65

Годовая экономия = (8 × 365 − срок окупаемости в часах) × часовая экономия, руб.

1147,37

948,34

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

В моей семье мы разместили памятки-напоминания для экономии электричества. Заменили все лампы на светодиодные. Максимально используем естественное освещение. Заботимся о чистоте оконных стекол, а днем просто убираем занавески на окнах.

 

18

Просмотров работы: 71