Творческая работа по физике Возобновляемые источники энергии

Творческое задание Возобновляемые источники энергии ЦЕЛЬ РАБОТЫ: выявить преимущества возобновляемых видов энергиипровести игровую беседу с учащимися 4 «Б» класса ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ Вероятность скорого истощения мировых запасов топлива , а также ухудшение экологической ситуации в мире,(переработканефти и довольно частые аварии во время ее транспортировка представляют реальную угрозу для окружающей среды) заставили задуматься о других видах топлива, способных заменить нефть и газ. Сейчас в мире все больше ученых инженеров занимаются поисками новых, нетрадиционных источников которые могли бы взять на себя хотя бы часть забот по снабжению человечества энергией. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии включают солнечную, ветровую, геотермальную энергию, биомассу и энергию Мирового океана. Вопрос 4 «б» классу Мир обогревает, усталости не знает? Солнечная энергия Солнце является источником тепла и света на Земле. Оно излучает в мировое пространство громадное количество энергии, часть которой перехватывает земля. Количество тепла, даваемое солнцем, достаточно для того, чтобы расплавить ежегодно слой льда мощностью в 36 м, покрывающий всю земную поверхность при t = 0°. Распространение солнечной энергии на Земле Карта солнечного излучения. Из-за поглощения атмосферой Земли, максимальный поток солнечного излучения на уровне моря — 1020 Вт/мІ. ). Зимой в умеренных широтах это значение в два раз меньше. Это количество энергии с единицы площади определяет возможности солнечной энергетики. Перспективы выработки солнечной энергии также уменьшаются из-за глобального затемнения — эффекта, вызванного природным (вулканизм) и техногенным загрязнением атмосферы пылевыми и другими частицами, в результате чего количество излучения Солнца, попадающего на поверхность Земли, уменьшается. Эффект сильно зависит от географического положения, но в общем по Земле составляет порядка 5% за 1960—1990. Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения Получение электроэнергии с помощью фотоэлементов. Преобразование энергии в фотоэлементах основано на фотовольтаическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения Получение энергии с помощью фотоэлементов. Прачечная,использующая для работы солнечную энергию(США). Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения Гелиотермальная энергетика - нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи и последующее распределение и использование тепла. Устройство состоит из короба со змеевиком, бака холодной воды, бака-аккумулятора и труб. Короб стационарно устанавливается под углом 30-50° с ориентацией на южную сторону. Холодная, более тяжелая, вода постоянно поступает в нижнюю часть короба, там она нагревается и, вытесненная холодной водой, поступает в бак-аккумулятор. Она может быть использована для отопления, для душа либо для других бытовых нужд. Дневная производительность на широте 50° примерно равна 2 кВт/ч с квадратного метра. Температура воды в баке-аккумуляторе достигает 60-70°. КПД установки – 40%. Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения “Солнечный парус” — приспособление, использующее давление солнечного света на зеркальную поверхность для приведения в движение космического аппарата. Устройство солнечного паруса. Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения Термовоздушные электростанции (преобразование солнечной энергию в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор). Солнечные аэростатные электростанции (генерация водяного пара внутри баллона аэростата за счет нагрева солнечным излучением поверхности аэростата, покрытой селективно-поглощающим покрытием). Преимущество — запаса пара в баллоне достаточно для работы электростанции в темное время суток и в ненастную погоду. Освещение зданий с помощью световых колодцев Световой колодец  — оборудование для освещения помещений при помощи естественного солнечного света. Световой колодец представляет cобой трубу, передающую солнечный свет с минимальными потерями. Простейший вариант светового колодца — отверстие в потолке. Солнечные колодцы применяются для освещения как промышленных, так и жилых зданий в дневное время суток. Могут применяться в больших промышленных зданиях: складах, цехах, подземных помещениях и т. д.Впервые солнечный колодец начали производить в Австралии в 1991 году по патенту 1986 года. Схема светового колодца. Световой колодец на станции метро в Берлине(верхняя часть). Нижняя часть светового колодца. Солнечные коллекторы-концентраторы. Параболоцилиндрические концентраторы имеют форму параболы, протянутую вдоль прямой. Параболоцилиндрический зеркальный концентратор фокусирует солнечное излучение в линию и может обеспечить его стократную концентрацию. В фокусе параболы размещается трубка с теплоносителем (масло), или фотоэлектрический элемент. Масло нагревается в трубке до температуры 300—390 °C. Параболоцилиндрические зеркала изготовляют длиной до 50 метров. Зеркала ориентируют по оси север—юг, и располагают рядами через несколько метров. Теплоноситель поступает в тепловой аккумулятор для дальнейшей выработки электроэнергии паротурбинным генератором Параболоцилиндрические концентраторы Солнечные коллекторы-концентраторы. Параболические концентраторы имеют форму спутниковой тарелки. Параболический отражатель управляется по двум координатам при слежении за солнцем. Энергия солнца фокусируется на небольшой площади. Зеркала отражают около 92 % падающего на них солнечного излучения. В фокусе отражателя на кронштейне закреплён двигатель Стирлинга, или фотоэлектрические элементы. Двигатель Стирлинга располагается таким образом, чтобы область нагрева находилась в фокусе отражателя. В качестве рабочего тела двигателя Стирлинга используется, как правило, водород, или гелий. Достоинства солнечной энергетики 1.Общедоступность и неисчерпаемость источника. 2. Теоретически, полная безопасность для окружающей среды (однако в настоящее время в производстве фотоэлементов и в них самих используются вредные вещества). Существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо земной поверхности и привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно). Недостатки солнечной энергетики 1.Солнечная электростанция не работает ночью и недостаточно эффективно работает в утренних и вечерних сумерках. 2.Мощность электростанции может резко и неожиданно колебаться из-за смены погоды. 3. Дороговизна солнечных фотоэлементов. 4. Недостаточный КПД солнечных элементов (вероятно, будет вскоре увеличен).5. Поверхность фотопанелей нужно очищать от пыли и других загрязнений. При их площади в несколько квадратных километров это может вызвать затруднения.6. Эффективность фотоэлектрических элементов заметно падает при их нагреве, поэтому возникает необходимость в установке систем охлаждения, обычно водяных.7. Через 30 лет эксплуатации эффективность фотоэлектрических элементов начинает снижаться. Ветровая энергия Ветроэнергетика — отрасль энергетики, специализирующаяся на использовании энергии ветра — кинетической энергии воздушных масс в атмосфере. Энергию ветра относят к возобновляемым видам энергии, так как она является следствием деятельности солнца. Ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью, так в конце 2007 года общая установленная мощность всех ветрогенераторов составила 94,1 гигаватта, увеличившись впятеро с 2000 года. Ветряные мельницы в Ла Манче, Испания Строительство ветряной турбины в Германии. Распространение ветроэнергетики В 2007 году сумарные мощности ветряной энергетики выросли во всём мире до 93849 МВт. Ветряные электростанции всего мира в 2007 году произвели около 200 млрд кВт·ч, что составляет примерно 1,3 % мирового потребления электроэнергии. Во всём мире в индустрии ветроэнергетики заняты 350 тысяч человек.В Европе сконцентрировано 61 % установленных ветряных электростанций, в Северной Америке 20 %, Азии 17 %. 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 прогноз 2010 прогноз 7475 9663 13696 18039 24320 31164 39290 47686 59004 73904 93849 115000 140000 170000 Суммарные установленные мощности, МВт, и прогноз WWEA до 2010 г. Получение энергии с помощью ветрогенераторов Ветрогенератор (ветроэлектрическая установка или сокращенно ВЭУ) — устройство для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую. Устройство ветрогенератора: Ветер раскручивает ротор. Выработанное электричество подаётся через контроллер на аккумуляторы. Инвертор преобразует напряжение на контактах аккумулятора в пригодное для использования. Типы ветродвигателей Основные разновидности ветроагрегатов изображены на рисунке.Они делятся на две группы:1.Ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые) (2-5); 2.Ветродвигатели с вертикальной осью вращения (карусельные: лопастные (1) и ортогональные (6)). Проблемы эксплуатации промышленных ветрогенераторов 1.Неправильное устройство фундамента. Если фундамент башни неправильно рассчитан, или неправильно устроен дренаж фундамента, башня от сильного порыва ветра может упасть. 2.Обледенение лопастей и других частей генератора. Обледенение способно увеличить массу лопастей и снизить эффективность работы ветрогенератора. 3.Удары молний. Удары молний могут привести к пожару. На современных ветрогенераторах устанавливаются молниеотводящие системы. 4.Отключение. При резких колебаниях скорости ветра срабатывает электрическая защита аппаратов входящих в состав системы, что снижает эффективность системы в целом. Так же для больших ветростанций большая вероятность срабатывания защиты на отходящих ЛЭП. 5.Нестабильность работы генератора. Из-за того что в большинстве промышленных ветрогенерирующих установках стоят асинхронные генераторы, стабильная работа их зависит от постоянства напряжения в ЛЭП. 6.Пожары. Пожар может возникнуть из-за трения вращающихся частей внутри гондолы, утечки масла из гидравлических систем, обрыва кабелей и т. д. Энергия Мирового океана Известно, что запасы энергии в Мировом океане колоссальны, ведь две трети земной поверхности (361 млн. кв. км) занимают моря и океаны: акватория Тихого океана составляет 180 млн. кв. км, Атлантического – 93 млн. кв. км, Индийского – 75 млн. кв. км. Так, тепловая энергия, соответствующая перегреву поверхностных вод океана по сравнению с донными, скажем, на 20 градусов, имеет величину порядка 1026 Дж. Кинетическая энергия океанских течений оценивается величиной порядка 1018 Дж. Океан таит в себе несколько различных видов энергии: энергию приливов и отливов, океанских течений и другое. Энергия приливов. Прилив– ритмичное движение морских вод вызывают силы притяжения Луны и Солнца. Максимально возможная мощность в одном цикле прилив – отлив, т. е. от одного прилива до другого, выражается уравнением: где р – плотность воды, g – ускорение силы тяжести, S – площадь приливного бассейна, R – разность уровней при приливе. Как видно из формулы, для использования приливной энергии наиболее подходящими можно считать такие места на морском побережье, где приливы имеют большую амплитуду, а контур и рельеф берега позволяют устроить большие замкнутые «бассейны». Мощность электростанций в некоторых местах могла бы составить 2–20 МВт. Приливные электростанции. Прили́вная электроста́нция (ПЭС) — 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. Колебания уровня воды у берега могут достигать 13 метров. Преимуществами ПЭС является экологичность и низкая себестоимость производства энергии. Недостатками — высокая стоимость строительства и изменяющаяся в течение суток мощность, из-за чего ПЭС может работать только в единой энергосистеме с другими типами электростанций. Кислогубская приливная электростанция. Крупнейшая в мире приливная электростанция Ля Ранс, Франция Энергия волн. Эне́ргия волн — энергия волн на поверхности океана, используемая для совершения полезной работы — генерации электроэнергии, опреснения воды и перекачки воды в резервуары. Мощность волнения оценивают в кВт на погонный метр, т.е. в кВт/м. По сравнению с ветровой и солнечной энергией энергия волн обладает гораздо большей удельной мощностью. Средняя мощность волнения морей и океанов, как правило, превышает 15 кВт/м. При высоте волн в 2 м мощность достигает 80 кВт/м. Мощность, полученная от волнения всех океанов планеты, не может быть больше мощности, получаемой от Солнца. Но удельная мощность электрогенераторов, работающих от волн, может быть гораздо большей, чем для других альтернативных источников энергии. Генератор на энергии волн Skizze. Геотермальная энергия Геотермальная энергетика базируется на использова­нии природной теплоты Земли. Геотермальная теплота в верхней части земной слишком рассеяна, что­бы на ее базе решать мировые энергетические проблемы. Ресурсы, пригодные для промышленного использования, представляют собой отдельные месторождения геотермальной энергии, сконцентрированной на доступной для разработки глубине, имеющие определенные объемы и температуру, достаточные для использования их в целях производства электрической энергии или теплоты. Виды геотермальных источников энергии и способы ее получения К категории гидротермальных конвективных систем относят подземные бассейны пара или горячей воды, ко­торые выходят на поверхность земли, образуя гейзеры, сернистые грязевые озера. Для производства электроэнергии на базе высоко- или среднетемпературных геотермальных вод является использование процесса с применением двух­контурного (бинарного) цикла. В этом процессе вода, полученная из бассейна, используется для нагрева теплоносителя второго контура (фреона или изобутана), имеющего низкую температуру кипения. Пар, образовав­шийся в результате кипения этой жидкости, использует­ся для привода турбины. Отработавший пар конденси­руется и вновь пропускается через теплообменник, создавая тем самым замкнутый цикл. Виды геотермальных источников энергии и способы ее получения. К типу горячих систем вулканического происхождения относятся магма и непроницаемые горячие сухие породы (зоны застывшей породы вокруг магмы и покрывающие ее скальные породы). Получение геотермальной энергии непо­средственно из магмы пока технически неосуществимо. Технология, необходимая для использования энергии горячих сухих пород, только начинает разрабатываться. Геотермальная энергетика Геотермальная энергетика — производство электроэнергии, а также тепловой энергии за счёт тепловой энергии, содержащейся в недрах земли. Доступ к подземным тёплым водам возможен при помощи глубинного бурения скважин. Хозяйственное применение геотермальных источников распространено в Исландии и Новой Зеландии, Италии и Франции, Литве, Мексике, Никарагуа, Коста Рике, Филиппинах, Индонезии, Китае, Японии, Кении Несьявеллир ГеоТЭС, Исландия. Достоинства и недостатки Достоинства: Практическая неисчерпаемость ресурсов. Независимость от внешних условий, времени суток и года. Возможность комплексного использования термальных вод для нужд теплоэлектроэнергетики и медицины. Недостатки: Высокая минерализация термальных вод большинства месторождений и наличие токсичных соединений и металлов, что исключает в большинстве случаев сброс термальных вод в природные водоемы. Водородная энергетика Привлекательность водорода как универсального энергоносителя определяется экологической чистотой, гибкостью и эффективностью процессов преобразования энергии с его участием. Технологии разномасштабного производства водорода достаточно хорошо освоены и имеют практически неограниченную сырьевую базу. Получение водорода Применение водорода Топливные элементы. Для преобразования химической энергии водорода в электричество наиболее эффективным считается использование топливных элементов, обладающих КПД не менее 50%. Они представляют собой электрохимические устройства, вырабатывающие электроэнергию химическим путем, почти так же как гальванические элементы и аккумуляторы. Отличие состоит в том, что в них используются другие химические вещества (водород и кислород), а продуктом химической реакции является вода. Простейший топливный элемент состоит, например, из специальной мембраны, используемой как электролит, по обе стороны которой нанесены порошкообразные электроды Применение водорода Кислородно-водородное топливо для космических ракет В настоящее время кислородно-водородное топливо применяется на верхних ступенях космических ракет, где оно дает наибольший эффект. Примером этого является универсальная ступень "Центавр", используемая на космических ракетах семейств "Атлас" и "Титан-3", а также вторая и третья ступени ракеты "Сатурн-5". Выводы: Создано множество видов топлива альтернативных нефти и газу, но приносящих меньший вред планете Чистота планеты в наших руках!!!