Проект: Альтернативные источники энергии

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
лицей №4 города Данкова Липецкой области.

Секция естественных наук.
Исследовательский проект по физике на тему:
АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ
ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ.
Выполнили:
учащиеся 8-г класса
Кожемякин Руслан,
Чуксин Илья.

Научный руководитель:
Анохина Нина Алексеевна,
учитель физики.

Данков 2014.

Оглавление.
1.Оглавление……………………………………………………………………………стр 2
2.Введение………………………………………………………………………………стр 3
1) Актуальность темы…………………………………………………………стр 3
2) Методы, предмет, цель, задачи, гипотеза…………………………………стр 3
3.Основная часть.
1) 2013 год – год охраны окружающей среды……………………………… стр 3
2) Альтернативная энергия………………………………………………… .стр 3-4
3) Энергия солнца…………………………………………………………… стр 4-5
4) Энергия ветра……………………………………………………………… стр 5
5) Биотопливо……………………………………………………………… стр 5-6
6) Электрический ток в металлах………………………………………… стр 6-7
4. Практическая часть.
1) Получение напряжения из картофеля…………………………………… стр 7
2) Какие из веществ дают большее напряжение………………………… стр 8
3) Получение напряжения из лимона……………………………………… стр 8
4) Выводы из проведённых экспериментов……………………………… стр 9
5) Получение чистого биотоплива……………………………………… стр 9
5. Заключение…………………………………………………………………… стр 9-10
6. Список используемой литературы…………………………………………… стр 11
6. Приложение 1 (презентация).
ВВЕДЕНИЕ
Экологическая обстановка – пожалуй, самая актуальная проблема 21 века. Не случайно указом Президента РФ В.В.Путина 2013 год в России был объявлен Годом охраны окружающей среды. В современном мире человечество нуждается в электрической энергии каждый день. Она нужна как большим предприятиям, так и в быту. На её выработку тратится много средств, поэтому счета за электроэнергию ежегодно растут. Те предприятия, которые могут вырабатывать дешёвую электроэнергию, наносят большой вред экологии, который потом отражается на нашем здоровье и окружающей среде. А те предприятия, которые вырабатывают более экологически чистую электроэнергию, как, к примеру, гидроэлектростанции, требуют больших затрат. В экологическом рейтинге субъектов России Липецкая область находится на 20 месте. Всего в списке 83 региона РФ. Объём вредных выбросов с промышленных предприятий в атмосферу Липецкой области в 2013 году составил от 366200 до 378000 тонн, а от автотранспорта – от 154000 до 210000 тонн. Это очень пагубно влияет на здоровье людей. Поэтому мы и взяли эту тему.
МЕТОДЫ исследования: Определить экологически чистые виды энергии при помощи анализа литературы, проведения исследований, наблюдений, обработки полученных экспериментальных данных и теоретического обобщения.
ПРЕДМЕТ исследования: альтернативные источники энергии, биотопливо.
ЦЕЛЬ исследования: определить экологически чистый способ добычи электрической энергии из подручных, мало затратных средств.
ЗАДАЧИ: Научиться измерять напряжение с помощью вольтметра и авометра; исследовать от чего зависит напряжение; провести эксперименты по выведению биотоплива; определить факторы, влияющие на напряжение; сделать выводы и разработать рекомендации по применению полученных знаний.
ГИПОТЕЗА: Можно найти дешёвую экологически чистую добычу электроэнергии.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ.
Об электричестве люди знали уже в 1700 году, но добывать его в гигантских масштабах научились только 100 лет назад. Его добывали из тепла, силы воды, внутренней энергии атома, силы ветра. Электростанций много и каждая наносит вред экологии. На их строительство и обслуживание требуется много средств. Из чего же тогда вырабатывать электроэнергию? В основе принципа электробатарейки или аккумулятора – это кислота и взаимодействующий с ним металл. Эту кислоту создают в лабораториях. Но кислота содержится и в других веществах. К примеру в лимоне, яблоках, апельсинах, картофеле, солёных помидорах и огурцах… Альтернативная энергия – совокупность перспективных способов получения энергии, которые распространены не так широко, как традиционные, однако, представляют интерес из-за выгодности их использования при низком риске причинения вреда экологии. Все большую популярность в мире приобретают альтернативные источники энергии. Их преимущество заключается в возобновимости энергетических ресурсов. К таким источникам можно отнести: энергию солнца, энергию ветра, энергию приливов, глубинное тепло Земли, топливо из биомассы.
Уже построены гелиостанции в США (Калифорнии). Они имеют экономические показатели, не уступающие станциям других типов. В ряде стран созданы геотермальные станции - в США (станция Гейзерс в США имеет мощность 1 млн. кВт), России, на Филиппинах и в Италии; приливные - во Франции, Канаде, России и КНР; ветровые - в США и Дании. 1
Созданием топлива из биомасс активно занимаются практически во всем мире и даже есть страны, которые уже перешли на этот вид топлива в определенной мере (в Финляндии потребности в горючем уже на 20% удовлетворяются за счет биотоплива, а лидирует в ЕС по использованию биомассы в качестве источника энергии Германия). Конечно, надо понимать, что на то, чтобы полностью заменить ту же нефть (применение) биотопливом должен пройти определенный срок. А пока необходимо проводить дальнейшие исследования в этой области. Но уже сейчас можно увидеть основные преимущества биодизельного топлива: в выхлопе гораздо меньше токсичных отходов, сажи (на 50%) и выбросов СО и СО2; оно дешевле нефтепродуктов; может использоваться как в чистом виде, так и в смеси с привычным топливом; в смеси пригодно для любого дизельного двигателя практически без переделки; само по себе значительно безопаснее для окружающей среды, чем обычное топливо (менее токсично, чем обычная поваренная соль); легко разлагается микроорганизмами (на 90% за 3 недели); продлевает жизнь двигателя (не образуется нагар в цилиндрах); не имеет неприятного запаха.
Энергия солнца. Часто говорят, что новое - хорошо забытое старое. Как ни странно, к солнечной тепловой энергии эти слова тоже относятся. Раскопки археологов показали, что в стенах бань и некоторых других построек Древнего Рима были проложены каналы, по которым проходил теплый воздух от нагреваемой солнечным излучением части зданий и создавал комфортную температуру во всех помещениях. Хотя многие из нас этого и не подозревают, способ получения электроэнергии из солнечного света известен более ста лет. Явление фотоэлектричества впервые наблюдал Эдмон Беккерель в 1839г. Проводя серию экспериментов по электричеству, он погрузил 2 металлических электрода в проводящий раствор и подвергал установку воздействию солнечного света. Между электродами возникло небольшое электрическое напряжение. Появление в начале 50-х годов солнечных элементов, разработанных в лаборатории Белла, произвело революцию в электронной промышленности. Космическая индустрия была бы без них практически беспомощна. Легкие солнечные генераторы энергии позволили совершенно по-иному подойти к проблеме создания искусственных спутников Земли. Кроме того, солнечная энергия может использоваться в солнечных домах.  Солнечные установки могут быть предназначены для отопления и горячего водоснабжения жилых домов. Солнечные энергетические установки способны сэкономить дорогостоящее минеральное топливо, благодаря разумному использованию энергии солнечного излучения. Представление о солнечном доме (доме, в котором теплохладоснабжение и горячее водоснабжение, осуществляемое при помощи солнечной энергии) стало широко известно. Наверное, самым идеальным примером такого дома является традиционный японский дом. Что летом, что зимой там всегда вполне приемлемая температура для проживания. Но настоящих солнечных домов, где полностью отработана система отопления и охлаждения, еще сравнительно немного, и сделать их экономически оправданными совсем не просто. Однако очевиден тот факт, что природных запасов нефти и угля на земном шаре не хватит на длительный срок и дальнейшая техническая программа неразрывно связана с необходимостью экономии энергии. 
В конце 80-х годов наиболее распространенными предметами личного обихода, в которых использовалась солнечная энергия, были "солнечные кухни". Даже существовали специальные портативные солнечные кухни, которые можно было брать с собой в морское путешествие или в экскурсию в горы (производили Франция, Швейцария). В это же время в Японии были созданы электрические панели, солнечные фотоаппараты, радиоприемники, портативные солнечные батареи, "солнечные светильники.
Ветровая энергияВпервые энергия ветра была использована, по-видимому, для передвижения парусных судов, а позднее - для подъема воды и размола зерна. Считается, что в Китае, Японии и Тибете первые ветряные двигатели были построены более 2 тысяч лет назад. Древние вавилоняне использовали их для осушения болот. В Египте и на Ближнем Востоке строили ветряные водоподъемники и мельницы. 
Но толком ветряной энергией стали заниматься гораздо позже. В России этот вид энергии стал объектом для исследований только после революции. В связи с началом электрификации сельского хозяйства была организована работа по созданию ветроэлектрических станций (ВЭС). Уже в 1930г. была спроектирована, а в 1931г. сооружена в Крыму первая в мире ВЭС Д30 мощностью 100кВт. Станция проработала до 1942г. и давала энергию в электрическую сеть Севастопольэнерго. А в 1956г. было произведено более 9 тысяч ветродвигателей. За рубежом наиболее широкое применение ветроустановки нашли в Австралии, Новой Зеландии, Латинской Америке, Греции и др.  Ветер - 1 из наиболее мощных энергетических источников, который при благоприятных условиях может быть широко использован в народном хозяйстве. Он возникает вследствие постоянной циркуляции перемещения воздушных масс в атмосфере, вызванной неравномерным нагревом солнцем земной поверхности. Ветер - даровой энергетический источник. Поэтому у некоторых еще бытует мнение, что и энергия, полученная с помощью ветродвигателей тоже практически "дешевая". Особенность ветра как энергетического источника заключается в его непостоянстве, большой изменчивости скорости, а отсюда и энергии (в силу ряда метеорологических факторов (возмущение атмосферы, изменение солнечной активности и количество тепловой энергии, поступающей на землю), а также из-за влияния рельефных условий в данной местности скорость и направление ветра изменяются по случайному закону).  Большое государственное значение имеет экономия минерального топлива и охрана окружающей среды от загрязнений. Наиболее широко ветроустановки могут применяться в сельском хозяйстве для зарядки аккумуляторных батарей, опреснения минерализованных вод, откачки воды для питьевых нужд.
Биотопливо
Этот вид энергии имеет большие преимущества перед другими видами, поскольку он относительно дешевый и практически безвреден для окружающей среды. Естественно, что это не могло остаться незамеченным и многие страны уже активно занимаются исследованиями в этой области:
Кипр. В связи с непрерывным ростом цен на нефть, на Кипре все активнее обсуждалась возможность использования в качестве альтернативы нефти биодизельное или другие разновидности топлива, получаемые из биомассы. Уже к концу 2005г. был подготовлен план поставок такого топлива и частичный перевод на него автомобилей с дизельным двигателем. Его станут получать из кукурузы, сои, хлопка, жмыха, остающегося после отжима масла из оливок. Япония. В Токийском технологическом институте недавно запатентован метод преобразования растительного масла в биодизельное топливо с использованием катализаторов, в десятки раз гораздо более дешевых, чем применяемые ныне. Любое растительное масло может служить автомобильным топливом, но для этого входящие в его состав жирные кислоты надо превратить в эфиры. Японские ученые получили пригодный для много кратного использования катализатор - твердую кислоту из обычного сахара. Теперь, по мнению авторов открытия, наладив промышленный выпуск катализатора, можно будет приступать к массовому производству дизельного топлива из возобновляемого сырья. США. На конкурсе экологически чистых транспортных средств "Солнечный тур", прошедший летом 2005г в штате Нью-Джерси, среди машин на альтернативном топливе победил автомобиль "Вегетарианец", работающий на отходах школьной столовой. Этот автомобиль создали студенты Центральной школы из городка Трентон (штат Нью-Джерси). Точнее они переоборудовали старенький "Фольксваген Гольф" 1985г. выпуска, приспособив его двигатель к работе на биодизельном топливе собственного рецепта и изготовления. Как выяснилось, технология производства биотоплива, разработанная студентами, безопасна для окружающей среды и безотходна. Даже для перемешивания использованного кукурузного масла из студенческой столовой со щелочью, метанолом и этанолом они приспособили смеситель из солнечной энергии. А из выделенного в процессе производства топлива глицерина получали мыло, которое нашло применение тут же, в студенческом гараже. Все больше американцев предпочитают следовать примеру этих студентов. Многие американцы договариваются с расположенными поблизости кафе или ресторанами и забирают у них использованное масло. С 2005г. в стране стремительно формируется рынок альтернативного автомобильного топлива, и в США уже появились компании, которые оптом скупают в ресторанах отработанное масло и продают его автомобилистам, по цене 20-25 центов за литр, что, впрочем, в два с лишним раза дешевле обычного топлива.
Россия. 
В Белгородской области весной 2005г. прошли первые испытания тепловоза с дизельным двигателем, адаптированным и работающем на рапсовом масле. И все тепловозы, приписанные к местной железной дороге, рассчитывают перевести на топливо из рапса. 
Большие надежды за рубежом возлагают на получение энергии из биомассы, содержащей различные сахара, путем ее сбраживания с получением спирта (этанола). В Бразилии разработана национальная программа использования этанола, полученного из сахарного тростника, для замены почти четверти потребляемого в стране бензина. Уже сегодня около 10% продаваемого там бензина содержит 10% -ную добавку этанола, что заметно снижает содержание вредных веществ в выхлопных газах. Масштабная программа замены бензина этанолом, получаемым при переработке излишков кукурузы и других зерновых культур, осуществляется и в США. На долю так называемого газохола (смеси бензина с этанолом) уже приходится около 10% топливного рынка страны.
Электрический ток – это направленное движение заряженных частиц. Все металлы являются проводниками электричества. В них электрический ток - направленное движение свободных электронов. Чтобы по проводникам электроны двигались направленно, в них надо создать электрическое поле. Электрическое поле создаётся источниками тока. Источники тока характеризуются напряжением. Для своих исследований мы взяли картофель. Выбрали его потому, что в России картошка – это второй хлеб. В год на одного жителя России приходится 150 кг картошки. Это примерно 37 миллионов тонн в год. Запас картофеля в России всегда есть. Мы в картошку вставляли два различных проводника из цинка и меди и подключали светодиод, который начинал светиться. Свечение диода показывает, что через картофель проходит электрический ток и происходит электролиз. Электролиз – это совокупность химических процессов, происходящих в электролите при прохождении через него постоянного электрического тока, когда положительно заряженные ионы движутся к катоду, а отрицательно заряженные – к аноду. Электролитом в данном случае является картошка. Биотопливо – это топливо из биологического сырья. Получаемое, как правило, в результате переработки стеблей сахарного тростника или семян рапса, кукурузы или сои. Существуют также проекты разной степени проработанности, направленные на получение биотоплива из целлюлозы и различного типа органических отходов, но эти технологии находятся в ранней стадии разработки.
Практическая часть.
Зависимость напряжения между сырым и варёным картофелем.
Оборудование: картофель (сырой и варёный), пластины из цинка и меди, вольтметр, провода.
№ Картофель Напряжение, В
1
2 Сырой
Варёный 0,4
0,5
Вывод: В варёном картофеле напряжение выше, чем в сыром. Это объясняется тем, что в варёном клубне меняется структура соединений.
Зависимость напряжения от площади погруженного в клубень проводника. Оборудование: линейка, картофель, пластины из цинка и меди, вольтметр, провода.
№ Площадь проводника, м2 Напряжение, В
1
2
0,0004
0,0008 0.2
0,4
Вывод: Чем больше площадь погруженной части проводника, тем выше напряжение.
Увеличить напряжение картофеля из подручных средств.
Оборудование: картофель, питьевая сода, зубная паста, провода, пластины из цинка и меди, вольтметр.
Мы взяли один клубень картофеля и измерили напряжение. Затем разрезали клубень пополам, ложкой в одной из половинок сделали ямку. Туда положили зубную пасту, смешанную с содой. Соединили две половинки картофеля и измерили напряжение.
№ Картофель Напряжение, В
1
2 Сырой
Сырой, но с зубной пастой. 0,4
0,5
Вывод: практически без увеличения массы, было увеличено напряжение . Мы создали своего рода биотопливо. Этим доказали, что при смешивании определённых компонентов, можно добиться увеличения напряжения.
Исследовать какие из веществ дают большее напряжение.
Оборудование: клубни картофеля, лимоны, апельсин, кислое яблоко. солёные помидоры и огурцы, пластины из цинка и меди, вольтметр, провода.
План работы: 1. Измерить массы исследуемых продуктов. 2. Измерить напряжение, которое дают эти продукты.
№ Название продукта Напряжение, В
1
2
3
4
5
6 Картофель
Лимон
Апельсин
Кислое яблоко
Солёный огурец
Солёный помидор 0,4
0,65
0,45
0,45
0,5
0,5
Вывод: По данным эксперимента видно, что самое большое напряжение можно получить из лимона.
Объектом исследования являются лимоны.
Оборудование: Лимоны -4 шт, медная проволока, скрепки для бумаги, низковольтная лампочка от карманного фонаря.
План работы:1. противоположные концы проволоки зачистили на расстоянии 2-3 см. 2.В лимон вставили скрепку, прикрутив к ней один конец проволоки, а другой конец проволоки вставили в лимон. 3.Два свободных конца проволоки присоединили к контактам лампочки.
Вывод: лампочка не загорелась. Один лимон даёт недостаточно напряжения.
Мы взяли 4 лимона и последовательно их соединили друг с другом. Два свободных конца проволоки присоединили к контактам лампочки. 60960502920Лампочка загорелась.
Вывод: 4 лимона дают достаточно напряжения, чтобы лампочка засветилась.
Из проведённых экспериментов можно сделать выводы и продолжать работу над выделением экологически чистой энергии. Мы можем засаливать картофель и добывать больше тока Мы можем смешивать мельчайшие вещества друг с другом, тем самым увеличивая количество кислот в полученном продукте. Актуальность нашей работы в том, что в современном мире учёные занимаются проблемой нахождения новых экологически чистых источников энергии. К примеру, учёные из бывшего СССР в Израиле придумали систему, основанную на давление машин на дорожное полотно. Принцип их изобретения в том, что когда машина проезжает по определённому участку, она давит на маленькие генераторы, которые вырабатывают электричество. Минус этого изобретения в том, чтобы обработать 1 км дорожного покрытия такими генераторами, нужны большие материальные затраты, а во вторых надо перелицовывать все дороги. А учёные из Франции научились добывать из огурцов специальное вещество, которое мощнее тротила в 4 раза. Если им заправлять современные аккумуляторы, то они будут работать в 3-4 раза дольше. В 1899 году русский физик Пётр Николаевич Лебедев провёл эксперимент по давлению света. В его опыте в вакуумном сосуде на тонкой серебряной нити подвешивались крутильные весы, к коромыслам которых были прикреплены тонкие диски из слюды и различных металлов. Когда луч света попадает на пластину, то она начинает двигаться, Этот эффект может быть выполнен только при солнечных лучах. От электрического света пластины не двигаются. Таким образом, если увеличить размер данного прибора, то можно от его движения вырабатывать электрический ток. В белгородской области недалеко от хутора Крапивенские Дворы ООО «Альт Энерго» ввело в работу пять ветрогенераторов общей мощностью 100 кВт. Ветрогенераторы или ветроэлектрические установки стали первым объектом выработки альтернативной энергии. Принцип их действия заключается в преобразовании кинетической энергии ветра в электрическую. Ветер раскручивает лопасти ветряка, приводя в движение вал электрогенераторов. Генератор в свою очередь вырабатывает электрическую энергию, которая подаётся на контролёр, где преобразуется до нормативных показателей частоты и напряжения. Основное отличие от традиционных тепловых и атомных источников энергии заключается в полном отсутствии какого бы то было сырья и отходов. Еще одним альтернативным источником электроэнергии в белгородской области станут солнечные батареи общей установленной мощностью 100 кВт. Уже в сентябре 2013года на данной площадке введены в эксплуатацию солнечные батареи двух типов: аморфные и поликристаллические. Так, к примеру, аморфные батареи способны работать даже в облачную и пасмурную погоду. Помимо ветрогенераторов и солнечных батарей, в августе 2013 года здесь заработала биогазовая установка электрической мощностью 2,4 МВт и примерно такой же тепловой мощностью. Электроэнергия будет поступает в сети Белгородэнерго, а затем распределяться между потребителями. Сырьём для биогазовой установки стали отходы мясоперерабатывающего завода ГК «Агро-Белогорье» и близлежащих сельхозпредприятий. На улице минус сорок, а в доме – почти плюс двадцать пять. Это не русская печь, это деревенский биореактор. Пермский умелец собрал установку, которая перерабатывает птичий помёт в электроэнергию. Началось всё с того, что птицевод Владимир Рашин не мог придумать, куда девать помёт от сотен своих перепелов. Яйца – на продажу, мясо – в суп, перья и пух – в подушки. Неужели помёт совсем никуда не годится? А теперь – перепела фактически сами себя согревают, а заодно и дом своего хозяина.  Вместо покупного газа – свой, биологический. Производство энергии из помёта, получается совсем безотходным. Остаток после брожения – первоклассное удобрение. Его изобретатель продаёт местным аграриям. 
Заключение.
Наша работа только первый шаг в изучении данной проблемы. Но наши исследования можно и сейчас использовать в повседневной жизни. К примеру, зарядить телефон от банки с огурцами, или осветить себе дорогу карманным фонариком на картофельной батарейке. Исследования в данной работе можно продолжать, т. к. они просты и актуальны.
Список используемой литературы:
Сюнроку Танака. Жилые дома с автономным теплохладоснабжением. Учебное пособие. М. Стройиздат. 1989.
Шефтер И.Я. Использование энергии ветра. Учебное пособие. М. Энергия. 1975.
Поедем на биотопливе. Экология и жизнь. 2006. №5.
Хлопоты вокруг выхлопов. Экология и жизнь. 2006. №6.
Интернет ресурсы.