Исследовательская работа по физике на тему Альтернативные источники энергии
Областной конкурс творческих открытий и инициатив «Мы – Белгородцы! Думай, решай, действуй!»
Номинация: Охрана окружающей среды
Тема: «Альтернативные источники энергии»
Астахова Кристина Алексеевна
МБОУ «СОШ №12 с углубленным изучением отдельных предметов» г. Старый Оскол, 11 класс
Научный руководитель:
Брызгунова Ирина Николаевна
учитель физики
Белгород
2012/2013 учебный год
СОДЕРЖАНИЕ:
Актуальность...............................................................................2
Теория..............3
2.1.Сценарии развития энергетики будущего..................3
3. Нетрадиционная энергетика..............4
3.1. ГЭС....................4
3.2. Малонапорные ГЭС ...............4
3.3. Подводные ГЭС...............4
3.4. ПЭС..................................................5
3.5. Энергия волн...............................6
3.6. Геотермальная энергия.......7
3.7. Гидротермальная энергия......................................................8
3.8. Ветроэнергетика.....................................................................9
4. Практическая работа............10
4.1. Изготовление действующей модели ГЭС...........................10
4.2. Изготовление действующей модели ВЭС...........................13
4.3. Изготовление действующей модели геоТЭЦ.15
5. Список использованной литературы..............17
1. АКТУАЛЬНОСТЬ
Неуклонное увеличение численности населения нашей планеты, беспрецедентно быстрое развитие производства в период НТР, нарастающее истощение запасов привычных источников энергии (угля хватит на 600 лет, нефти – на 90 лет, газа – на 50 лет, урана – на 27 – 80 лет), наконец, требования к сохранению окружающей среды заставляют людей искать новые источники энергии, прежде всего, располагающие возобновимыми или малоисчерпываемыми запасами. Человечество еще плохо использует возможности получения энергии из природных, практически неисчерпаемых источников: тепла земных недр и океана, энергии океанских и речных течений, приливов и волн, ветра.
Человечество потребляет огромное количество энергии. За год мы сжигаем от 9 до 20 млрд. тонн топлива. 75% всей потребляемой энергии составляют полезные ископаемые (34% - нефть, 25% - уголь, 19% - природный газ); 5% остальной потребляемой энергии – атомные ЭС; 6% - ГЭС; 11% - от других источников энергии.
В своей работе мы обратили внимание на те 17%, которые приходятся на возобновляемые источники энергии.
Энергетика служит основой любых процессов во всех отраслях народного хозяйства, главным условием создания материальных благ, повышения уровня жизни людей. К традиционным источникам энергии относятся ТЭС, АЭС, ГЭС.
Если рассматривать перспективы традиционной энергетики, то угля хватит на 600 лет, нефти на 90 лет, газа на 50 лет, урана по разным прогнозам на 27-80 лет. Поэтому мы обратились к теме нетрадиционных источников энергии, к ним относятся ветроэнергетика, гидроэнергетика, приливно-отливная энергетика, геотермальная энергетика.
Несмотря на огромный потенциал возобновимых источников энергии их использование осложняется техническими сложностями, и потому по
самым оптимистичным прогнозам за счет нетрадиционной энергетики удовлетворено не более 30% потребностей человечества в энергии.
Сейчас в РФ за счет нетрадиционных источников получают 1% энергии, что конечно очень мало. Мы своей работой хотим обратить внимание на эту проблему.
2. ТЕОРИЯ
Сегодня основные источники энергии для промышленности и сельского хозяйства – исчерпаемые ресурсы угля, нефти, газа. Энергию получают, кроме того, на атомных и гидроэлектростанциях, а также на приливных, геотермальных, солнечных и других, но пока в очень небольшом количестве. Количество ископаемого топлива на Земле ограничено, получение атомной энергии экологически небезопасно, Так как даже если не случаются такие аварии, как чернобыльская, то возникает проблема отходов, тысячелетиями сохраняющих опасную радиоактивность. Для их захоронения приходится создавать дорогостоящие наземные и специальные подземные хранилища.
ГЭС экологически менее опасны, но у них также много недостатков: создаются искусственные моря, на дне которых остаются многие тысячи гектаров плодородных земель, разрушаются экосистемы рек.
2.1. СЦЕНАРИИ РАЗВИТИЯ ЭНЕРГЕТИКИ БУДУЩЕГО
РАЗВИТИЕ ТРАДИЦИОННОЙ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ
Доказана принципиальная возможность получения практически экологически чистой энергии от ТЭС при использовании мощных фильтров, задерживающих атмосферные загрязнители, и при подземной газификации угля. Недостаток этого варианта – это выбросы большого количества диоксида углерода в атмосферу и, кроме того, временный характер этой стратегии. Запасы угля в течение 100 – 150 лет также будут израсходованы.
РАЗВИТИЕ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
При повышении безопасности и появлении новых типов реакторов (в десятки раз эффективнее, чем существующие сейчас), с обеспечением безопасности глубокого захоронения отходов в устойчивых к разрушению горных породах. Достоинство сценария – сокращение выбросов в атмосферу диоксида углерода.
НЕТРАДИЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
Это солнце, ветер, океанические приливы, тепло земных глубин. Этот вариант получения энергии как дополнительный используется при любом сценарии, тем не менее, наиболее последовательные футурологи-экологи убеждены, что к 2030 – 2050 гг. нетрадиционные источники энергии будут основными, а традиционные, напротив, потеряют свое значение.
3. НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
3.1. ГЭС
На ГЭС происходит преобразование энергии (потенциальная энергия воды превращается в энергию вращения турбины, соединенной с генератором, который преобразует энергию вращательного движения в электрическую).
Эффект действия любой ГЭС (т.е. выработка ею электроэнергии) прямопропорционален количеству воды, проходящей через турбину в единицу времени, и высоте падения воды.
ГЭС – это комплекс сложных гидротехнических сооружений и оборудования. Его назначение – преобразовывать энергию потока воды в электрическую энергию. Гидроэнергия относится к числу возобновляемых источников энергии, т.е. практически неиссякаема.
ГЭС имеют свои преимущества и недостатки.
Преимущества:
1. использование возобновляемой энергии;
2. самая дешевая электроэнергия;
3. работа не сопровождается вредными выбросами.
Недостатки:
1. затопление пахотных земель;
2. строительство ведется там, где есть большие запасы энергии воды;
3. на горных реках опасны из – за высокой сейсмичности районов.
В России доля ГЭС в энергобалансе страны – 11%. Преобладают крупные ГЭС: Шушинская, Ангарская, Братская, Красноярская и другие. Наиболее перспективны в использовании малые ГЭС.
3.2. МАЛОНАПОРНЫЕ ГЭС
В Оренбурге выпущен первый образец бесплотинной внесезонной ГЭС, которая может применяться на реках с глубиной от 0,5 до 2,8 м. Главное достоинство этой ГЭС – отсутствие плотины и водохранилища, которые приводят к нарушению экологического равновесия. Предполагается, что первый образец мощностью 10 кВт для эксплуатационных испытаний будет на отводном канале Ириклинского водохранилища.
3.3. ПОДВОДНАЯ ГЭС
Но самый нетрадиционный проект использования энергии рек был предложен австрийским инженером
Й. Колпером – подводная ГЭС. В этом случае турбины можно установить на подводной лодке, связанной с берегом, вращать их будет течение реки, и не только летом, но и зимой, когда поверхность воды скована льдом, и весной во время паводков. По расчетам изобретателя , с десяток таких подводных ГЭС, расположенных на дне Дуная, могут дать Австрии столько же электроэнергии, сколько производят сегодня все электростанции страны.
3.4. ПЭС
В 1961 г. в СССР была опубликована работа «Приливные электростанции в современной энергетике», в которой доказывалось, что не приливная энергия, а попытки неправильного ее использования – причина неудачи проекта Кводди. Действительно, зачем нужно затрачивать большие средства, чтобы трижды дублировать мощность ПЭС (на двух бассейнах и ГЭС) с целью получить от прилива непрерывную и равномерную энергию, т.е. энергию с такими качествами, которыми не обладает природа самого явления? С другой стороны, современное потребление энергии вовсе не требует равномерности. Потребность человека в энергии имеет не равномерный, а волнообразный характер: днем больше, ночью меньше. Таким образом, задача заключается не в том, чтобы выровнять поток приливной энергии, а в том, чтобы совместить «волны» потребления с волнами прилива. Эту задачу можно решить с помощью обратимого капсульного гидроагрегата, созданного специально для ПЭС. Он может работать и как насос. При этом в часы неполной нагрузки работающих совместно с ПЭС тепловых электростанций их мощность можно использовать (при совпадении этих часов с полной или малой водой в море) для того, чтобы подкачивать воду из моря в бассейн ПЭС (поднимать его уровень выше уровня прилива) или откачивать ее из него в море, чтобы уровень бассейна стал ниже уровня отлива.
Работа приливов и отливов не считается экономически эффективной. Такой пессимизм вызван тем, что предварительные расчеты не всегда совпадают с конечными результатами. Скажем, перед строительством ПЭС на Рансе многие скептики предрекали, что энергия ее будет чрезмерно дорога. Но, несмотря на это, строительство началось, поскольку север Франции не имел достаточных запасов природного топлива. В результате ПЭС оказалась на деле достаточно эффективной и конкурентоспособной.
Говоря о приливной энергетике, нельзя не упомянуть ее недостатки, в частности, отрицательное воздействие на окружающую среду. Проходные рыбы – такие, как угорь и лососевые, - используют устья рек для икрометания. Заграждение этих мест плотинами препятствует нересту и может вызвать массовый замор рыбы. Кроме того, заграждения изменяют картину приливов и отливов, что также губительно действует на флору и фауну. Тем не менее, ущерб от ПЭС, конечно, меньше, чем от теплоэлектростанций.
Актуальность задачи определяется тем, что для покрытия потребности в пиковых мощностях в часы дневного и вечернего максимума (из-за недостаточной мощности ГЭС и ограниченности объема их водохранилищ) сверхмощные ТЭС приходится загружать неравномерно, что технически и экономически нецелесообразно. Благодаря астрономи-ческому постоянству факторов, образующих прилив, среднемесячная величина прилива и энергия неизменны. Поэтому приливные электростанции могут быть надежным гарантом энергосистем, в которых работают речные ГЭС.
3.5. ЭНЕРГИЯ ВОЛН
Существует несколько проектов использования энергии волн. В Великобритании доктор Ст. Солтер из Эдинбургского университета изобрел наиболее совершенный преобразователь энергии волн. Это аппарат с лопастями длиной более 18 м, расходящимися под углом от общей оси и качающимися вместе с волнами.
Аппарат Ст. Солтера – единственный, использующий энергию и горизонтального и вертикального движения волн. Благодаря этому его КПД приближается к 85 %. Как показали расчеты, метровый отрезок волны «несет» от 40 до 100 кВт энергии, пригодной для практического использования.
Энергию волн в небольших масштабах уже используют в Японии. Там более 300 буев и маяков питаются электроэнергией, вырабатываемой генераторами, приводимыми в движение морскими волнами. В Мадрасском порту в Индии успешно действует плавучий маяк, на котором установлен электрогенератор, приводимый в действие энергией морских волн.
В настоящее время волногенераторы используются чаще всего для энергоснабжения навигационных буев и радиомаяков. Япония начала их эксплуатацию в 1965 году, несколько позже была построена опытная волновая ЭС мощностью 125 кВт с перспективой до 1250 кВт. Работы по созданию станций такого типа ведутся в России, Швеции, США, Англии и других странах. В Норвегии в 1985 году около Бергена построена первая станция такого типа мощностью 200 кВт, где в дальнейшем предполагается установить серию таких агрегатов и значительно увеличить мощность.
Трудности по созданию волновых электростанций связаны с неравномерностью их работы, биологическими и другими загрязнениями рабочих органов и водопропускных каналов (обрастание водорослями, ракушками, солями), разрушением вследствие коррозии и т.п. Достоинство их – полная экологическая чистота и возможность работы в автоматическом режиме.
3.6. ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ
Если солнечная энергия падает на нас с неба, то геотермальная находится у нас под ногами. Остается только нагнуться и взять ее. Поток этой энергии огромен. За год к поверхности Земли поступает 4
·10^17 кВт/час тепловой энергии или 16
·10^23 Дж, 90% ее поступает за счет теплопроводности пород литосферы, 10% вместе с лавой, горячим паром, водой и газами. Верхняя часть земной коры имеет температурный градиент 20 - 30(С на 1 км глубины, в некоторых местах - 1(С на 2 –30 м. и даже на 2 – 3 м. На земле довольно много мест, где имеются термальные источники и большие температурные градиенты. Это часть районов России (Камчатка, Карпаты, Кавказ), Исландии, Новой Зеландии и США, а также других стран, имеющих на своей территории горные массивы.
Все геоТЭС используют естественные термальные воды с температурой от 90 до 200(С и давлением пара от 3 до 6 МПа. Используется эффект резкого падения давления в потоке воды, выходящей на поверхность, Вода при этом вскипает и превращается в пар из-за резкого падения давления. Пар после отделения от воды в сепараторе направляется в турбогенератор.
ГеоТЭС значительно экономичнее других типов электростанций, капитальные затраты на их строительство составляют примерно 1/3 от ТЭС, они могут работать без обслуживающего персонала в автоматическом режиме, стоимость энергии на 1/3 меньше, чем на станциях другого типа.
Но геотермальные районы, как правило , сейсмически активны и удалены от потребителя, термальные воды обычно сильно минерализованы и коррозионно-активны, также геоТЭЦ представляют и экологическую опасность, если они работают на закачиваемой воде, т.к. возникает проблема хранения и переработки отработанных вод, насыщенных солями.
3.7. ГИДРОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ
Еще в конце 20-х гг. человечество начало использовать и гидротермальную энергию, т.е. энергию, источником которой служит разница температур морской воды из верхних и нижних горизонтов.
Благоприятны, например, условия для использования гидротермальной энергии на Кубе. В одной из здешних бухт большие глубины со значительным перепадом температур воды подходят к самому берегу. Насосы накачивают здесь воду с поверхности моря (она имеет температуру около 27 градусов Цельсия) в испаритель. В испарителе с частичным вакуумированием образуется пониженное давление, в результате чего вода превращается в пар при температуре около 30 градусов Цельсия. Полученный пар вращает лопасти турбин, соединенных с генераторами. Отработанный пар попадает в конденсатор, для охлаждения которого подают воду с глубины (ее температура 14 градусов Цельсия).
В США, Японии, Франции и некоторых других странах ведут активные работы по программе «Преобразование термальной энергии океана» («ОТЕК»).
Первая опытная американская гидротермальная станция системы «ОТЕК» - мини - «ОТЕК» мощностью 50 кВт – работала вблизи Гавайских островов в Тихом океане с 1979 по1981 г.
В1981 г. вошла в строй вторая опытная американская термоградиентная установка мощностью уже около 1000 кВт – «ОТЕК-1».
3.8. ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА
Человечество в течение тысячелетий почти до XX века довольно интенсивно пользовалось энергией ветра для мореплавания, помола зерна, подъема воды и много другого. В XX веке использование ветра практически прекратилось в связи с появлением тепловых двигателей и электромоторов. Однако в связи с истощением доступных запасов нефти и загрязнением окружающей среды интерес к ветроэнергетике в последние годы возродился и, вероятнее всего, будет расти.
Началом развития ветроэнергетики можно считать 1850 год, когда датчанин Ла Кур построил первый ветрогенератор. Сегодня в Дании действует более 2000 ветроэнергоустановок, и она является основным экспортером этого вида генераторов.
В России в 1931 г. была построена самая крупная по тем временам ВЭС мощностью 100 кВт с диаметром крыльчатки 30 м.
На Земле имеются обширные районы, где постоянно дуют устойчивые ветры. Почти 40% территорий России удобно для установки ветровых преобразователей, общая мощность которых может достичь 100 млрд. кВт.
Эффективность использования энергии ветра в значительной степени зависит от конструкции ветрогенератора, а именно – крыльчатки.
Современный ветряк – сложное устройство. В нем запрограммирована работа в двух режимах – слабого и сильного ветра и остановка двигателя, если ветер станет очень сильным. Недостатком ветряных мельниц является шум, который производят лопасти пропеллера во время вращения. Если ветряк мощный, то шумовое загрязнение делает опасным длительное пребывание людей в зоне работы установки.
Теоретически достижимый КПД ветрогенератора равен примерно 60%, с учетом различных потерь и неравномерности воздушных потоков его величина колеблется в пределах 15 – 20%.
4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА.
4.1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕЙСТВУЮЩЕЙ МОДЕЛИ ГЭС.
Для этого требуется:
1) электромоторчик на 4.5 В;
2) жесткий пластик;
3) пробка;
4) электропровод;
5) жесткая проволока или металлический стержень;
6) большая и маленькая шестерни;
7) клей, нерастворимый в воде;
7) деревянные бруски;
8) корпус старой шариковой ручки.
Строительство модели:
Насадить пробку на конец жесткой проволоки.
Нарезать 8 полосок жесткого пластика длиной, равной длине пробки, и шириной около 3.5 см.
По всей длине пробки вырезать 8 узких пазов на равном расстоянии друг от друга, чтобы в них можно было вставить пластиковые полоски.
Смазать края полосок клеем и вставить их в пазы. Они должны торчать, по крайней мере, на 3 см. над поверхностью пробки.
Вставить другой конец проволоки в корпус авторучки, затем закрепить на его конце большую шестерню.
Поместить всю конструкцию на борту водопроводной раковины так, чтобы пробка с лопастями находилась под краном с холодной водой.
Гвоздем прикрепить корпус авторучки к бруску, а сам брусок – к борту раковины.
Прикрепить к другому бруску моторчик и надел маленькую шестерню на его вал так, чтобы она на нем не вращалась.
Для демонстрации работы модели надо открыть кран так, чтобы струя воды падала на лопасти и вращала их. Держа брусок с мотором, соедините малую и большую шестерни.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
.
4.2. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕЙСТВУЮЩЕЙ МОДЕЛИ ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ.
Для этого требуется:
1. линейка;
2. небольшой кусок картона, примерно 30x30 см.
3. отрезок проволоки;
4. старый карандаш;
5. две шайбы;
6. канцелярская кнопка;
7. две пробки;
8. немного тонкой веревки или нитки;
9. клей.
Изготовление модели:
1.Изготовить пропеллер из картона и прикрепить его к пробке.
2. Взять кусок проволоки длиной около 30 см. и вставить его в другой конец пробки.
3. Надеть одну шайбу на проволоку около пробки. Выдавить вязальной спицей из карандаша сердечник и надеть его на проволоку так, чтобы она свободно вращалась в нем. Наденьте на проволоку вторую шайбу позади карандаша.
4. Надеть противоположный конец проволоки вторую пробку.
5. Привязать к проволоке нитку, а на другом ее конце закрепить легкий груз.
РАБОТА МОДЕЛИ ТУРБИНЫ.
Возьмитесь рукой за карандаш и поднесите модель к вентилятору или можно самому подуть.
Старайтесь постоянно держать модель перпендикулярно потоку воздуха.
Если модель построена правильно, то пропеллер начнет вращаться и груз, закрепленный на другом конце проволоки, будет подниматься, потому что нитка станет накручиваться на проволоку.
На этой модели показано превращение ветровой энергии в механическую. Примерно так действовали старинные ветряные мельницы.
Если же теперь представить на другом конце проволоки воображаемую ветровую турбину, мы получим довольно точную действующую модель ветроэлектростанции.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
4.3. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕЙСТВУЮЩЕЙ МОДЕЛИ геоТЭЦ.
Для этого требуется:
1) жестяная банка;
2)две деревянные рейки;
3)веревка;
4)кусочек пластилина;
5)спиртовка;
6)круг из жести или плотной фольги;
7)кусок проволоки;
8)два кирпича или книжки.
Изготовление модели:
1) Просверлил небольшое отверстие в крышке жестяной банки.
2) Сделал прорези на концах деревянных реек и примотал их веревкой по обе стороны банки прорезями вверх.
3) Налил в банку воды примерно на 1 см. и накрыл ее крышкой.
4) С помощью ножниц разделил жестяной круг на сектора и загнул каждый сектор так, чтобы его плоскость была перпендикулярна плоскости круга.
5) В центре жестяного круга вырезал отверстие, по диаметру совпадающее с толщиной проволоки, и вставил проволоку в это отверстие, закрепив ее с обеих сторон пластилином.
6) Вложил проволоку с кругом в прорези реек и закрепил на каждом конце проволоки упоры из пластилина, чтобы «вал турбины» не смещался. Проволока должна легко вращаться в прорезях, а жестяное колесо – неподвижно сидеть на проволоке.
7) Поставил получившуюся конструкцию на кирпичи, а между ними поместил спиртовку так, чтобы ее пламя нагревало центр дна банки.
Для демонстрации работы модели необходимо зажечь спиртовку.
Через некоторое время вода закипит, и пар начнет вырываться из отверстия в крышке банки, толкая лопасти колеса. Если конструкция собрана правильно, колесо будет крутиться до тех пор, пока не выкипит вся вода.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
5. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Ветровая энергия: Учебное пособие для школ. Пер. с английского, перераб. и допол. Под редакцией А. Агеева – Волгоград: Книга, Международный Центр просвещен. “Вайленд – Волгоград ”, 2000.
Володин В.В. Энергия, век двадцать первый. – М.: Детская литература, 2001.
Гидроэнергия: Учебное пособие для школ. Пер. с английского, перераб. и допол. Под редакцией А. Агеева – Волгоград: Книга, Международный Центр просвещен. “Вайленд – Волгоград ”, 2000.
Козлов В.Б. Энергетика и природа. – М.: Мысль, 1973.
Мякишев Г.Я.: Физика:учеб.для 11 кл. общеобразоват.учреждений/М.:Просвещение
Биоэнергия: Учебное пособие для школ. Пер. с английского, перераб. и допол. Под редакцией А. Агеева – Волгоград: Книга, Международный Центр просвещен. “Вайленд – Волгоград ”, 2000.
Геотермальная энергия: Учебное пособие для школ. Пер. с английского, перераб. и допол. Под редакцией А. Агеева – Волгоград: Книга, Международный Центр просвещен. “Вайленд – Волгоград ”, 2000.