«По следам ЭКСПО: альтернативная энергия»

Актюбинская область

Кобдинский район

Каракемерская ОШ

научное общество учащихся «Зере»

Тема: «По следам ЭКСПО: альтернативная энергия»

Секция: экология

Исполнитель проекта:

Грачёв Ян

Ученик 6 класса Каракемерской ОШ

Руководитель проекта:

Грачёв В.А., учитель истории Каракемерской ОШ.

Кобда 2017

Оглавление

Аннотация ……………………………………………………….…………………

Введение…………………………………………………………….……………

Программа исследования… …………………………………………………......

1. Теоретический обзор применяемых видов возобновляемых источников энергии……....

   1. Солнечная энергетика………………………………………………………………………

   2. Ветроэнергетика……………………..………………………………………

   3. Геотермальная энергия………………………………...…………………....………..……..……

   4. Биогазовая энергетика……………………………………………………………...…....

2. Практическая часть (описание опытов) ...…………………………………

Заключение……….…………………………………………………………..…..…

Источники информации………………………………………………………………………...

Аннотация

Данная работа рассчитана на повышение интереса учащихся к целому комплексу наук – физике, химии, экологии. Раскрывая цель работы, ученик использовал как теоретическую, так и практическую работу. Практическая ценность работы заключается в том, что на примере использования подручных средств, можно получить минимальное количество электричества, использовать его в бытовых целях.

Также через данную работу можно показать доступность научной деятельности для каждого ученика.

Введение

Қайырлы күн құрметті достар! Добрый день дорогие участники!

Республика Казахстан в 2017 году провела грандиозную выставку ЭКСПО, посвящённую энергии будущего. Все мировые державы предоставили свои разработки электроэнергии, основанные на альтернативных источниках.

Гениальные идеи учёных всего мира были представлены на обозрение граждан нашей страны и гостей из других стран.

Простота решений некоторых идей заинтересовала меня, и я решил провести некоторые исследования и собрать простейший источник энергии, используя подручные материалы.

Экологическая обстановка – пожалуй, самая актуальная проблема 21 века. 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, требуют больших затрат. Поэтому мы и взяли эту тему.

В настоящее время проблема обеспечения электрической энергией становится все более насущной. Основным ее источников являются тепловые электростанции и гидроэлектростанции.

Однако природные ресурсы органического топлива сокращаются, а стоимость их растет. Ситуация усугубляется наличием вредных выбросов в атмосферу при сжигании топлива. Гидроэнергетические ресурсы во многих странах задействованы практически полностью. Кроме того, их применение наносит невозвратимый ущерб водной среде. Построенные вблизи крупных городов гидроэлектрические станции потенциально опасны для их жителей. Ранее считалось, что альтернативой ГЭС и ТЭС будут атомные электростанции. Но уже сейчас АЭС уже не считаются источником дешевой и экологически чистой энергией. Запасы урановой руды, которая используется в качестве топлива, ограничены, а добыча затруднена. Само строительство АЭС требует огромных затрат. Тормозит развитие атомной энергетики проблема загрязнения окружающей среды.

Неуклонное увеличение численности населения нашей планеты, 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 к возобновимым запасам. Все это способствует применению возобновляемые источников энергии - энергии ветра, воды, солнца, геотермальной энергии, а также тепла, содержащегося в воде, воздухе и земле.

Возобновляемые источники энергии невозможно исчерпать. Основной принцип использования возобновляемой энергии заключается в её извлечении из постоянно происходящих в окружающей среде процессов. Возобновляемую энергию получают из природных ресурсов, таких как: солнечный свет, ветер, дождь, приливыи геотермальная теплота, все они пополняются естественным путем. Возобновляемые источники энергии — это экологически чистая и безопасная альтернатива не восполняемой энергии.

Также к преимуществам над традиционными источниками энергии можно отнести широкую распространенность и доступность. В случае необходимости эти источники могут работать автономно, снабжая энергией потребителей, не подсоединенных к централизованным энергосетям. Стимулами для внедрения альтернативных источников энергии являются безопасность поставок, постоянный рост цен на традиционные виды топлива и, конечно, научно-технический прогресс. Современные разработки и инновации повышают конкурентоспособность альтернативной энергетики.

По достоверным данным, можно сказать, что к 2030 году возобновляемые источники энергии будут удовлетворять 40% мирового спроса на энергию и до 80% спроса — к середине столетия.

Сейчас доля ВИЭ в общемировом производстве тепла — 24%, электричества — 18%. Остальные 80% электроэнергии мир получает за счет сжигания ископаемого топлива. Однако в скором будущем эта картина сильно изменится.

Вот лишь несколько примеров того, как альтернативные источники энергии завоевывают мир:

• Почти половина всех вновь вводимых мощностей в электроэнергетике – это установки на основе возобновляемых источников энергии.

• В солнечной электроэнергетике (фотовольтаике) году было введено 16 000 МВт, общая установленная мощность достигла 40 000 МВт.

• В 2009 году ветровая энергетика вытеснила угольную с третьего места по количеству вырабатываемой электроэнергии.

• в Китае возводили примерно по одной ветротурбине в час. Каждые 8 часов Китай вводит столько же мощностей в ветроэнергетике, сколько есть во всей России — 15 МВт.

• Мощность ветроустановок в мире увеличилась в 2010 году на 35 800 МВт, таким образом, общая мощность ветростанций составила 194 400 МВт. Инвестиции в новые ветряки в 2010 году составили 47,3 миллиарда Евро.

Актуальность и важность скорейшего перехода к АИЭ можно рассматривать в нескольких аспектах:

• Глобально-экологический: традиционные энергодобывающие технологиипагубного влияют на окружающую среду, их применение ведет к катастрофическому изменению климата.

• Политический: страны, в полной мере осваивающие альтернативную энергетику, способны претендовать на мировое первенство и фактически диктовать цены на топливные ресурсы.

• Экономический: переход на альтернативные технологии в энергетике позволяет сохранять топливные ресурсы страны, стоимость альтернативной энергии ниже стоимости энергии из традиционных источников, сроки окупаемости строительства альтернативных электростанций существенно короче, цены на альтернативную энергию снижаются, на традиционную - постоянно растут.

• Социальный: численность и плотность населения постоянно растут, производство энергии небезопасно для окружающей среды, общеизвестны факты роста тяжелых заболеваний в районах расположения АЭС, крупных ГРЭС, предприятий топливно-энергетического комплекса.

• Эволюционно-исторический: в связи с ограниченностью топливных ресурсов на Земле, а также нарастанием катастрофических изменений в атмосфере и биосфере планеты существующая традиционная энергетика представляется тупиковой; для эволюционного развития общества необходимо немедленно начать постепенный переход на альтернативные источники энергии.

Таким образом, технологии возобновляемых источников энергии находятся на пороге экономического прорыва, появляются новые способы производства альтернативной энергетики.

Программа исследования

Цель: изучение и исследование возобновляемых источников энергии как альтернативного топлива будущего

Задача:

1. Провести теоретический и практический обзор применяемых видов возобновляемых источников энергии

Гипотезы: 1. Применение возобновляемых источников энергии является альтернативой традиционным видам энергии (тепловой, гидравлической и атомной);

1. Источник электрической энергии можно изготовить самостоятельно.

2. Можно найти дешевую экологически чистую добычу электроэнергии

Методика проведения исследования:

1. Теоретический обзор по теме исследования в различных СМИ и интернет-ресурсах

2. Изготовление простейшей батареи

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. 

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.

1. Теоретический обзор применяемых видов возобновляемых источников энергии

1.1 Солнечная энергетика

Солнечная энергетика – это направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения электрической или тепловой энергии. Солнечная энергетика использует как возобновляемый источник энергии и является экологически чистой.

Используются разные способы преобразования солнечной энергии: фототермический, фотоэлектрический и фотохимический. В первом, простейшем, рабочее тело (теплоноситель) нагревается в коллекторе (системе светопоглощающих труб) до высокой температуры и служит для отопления помещений. Коллектор располагается на крыше здания так, чтобы его освещенность в течение дня была наибольшей. Система отражающих жалюзи, управляемая компьютером, обеспечивает нужную освещенность коллектора для заданного интервала температур в помещениях. Часть тепловой энергии аккумулируется: краткосрочно (несколько дней) – с помощью тепловых или механических аккумуляторов, долгосрочно (на зимний период) – химических. За день 1 м2 солнечного коллектора простой конструкции может дать 50–70 л горячей воды (80–90 °С). Типовые гелиоустановки давно используются в южных районах для снабжения горячей водой отопительных и других хозяйственных систем. В Европе в 2000 г. общая площадь солнечных коллекторов составляла 14,89 млн. м², а во всём мире -- 71,341 млн. м².

В домах, обеспечивающем себя не только теплом, но и электроэнергией, используется другой тип гелиоустановок. Рабочим телом в них являются жидкости (например, фреон) с малой теплотой испарения, но из-за опасного загрязнения в случае утечки (влияние на озоновый слой атмосферы) их промышленное производство сейчас запрещено. Они работают при температуре около 100 °С, что не требует специальных концентраторов солнечного потока. Если теплоноситель – вода, температура нагрева должна быть 200–500 °С при обязательном использовании концентраторов – зеркал, отражающих свет с большой площади на коллектор. Применяют параболоцилиндрические концентраторы (рис. 1), которые 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 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.

Рис.1. Параболоцилиндрические зеркальные концентраторы

Все чаще применяются в солнечных установках фотоэлектрические преобразователи на основе кристаллов кремния и арсенида галлия. Последние обладают лучшей тепловой устойчивостью и более высоким КПД (реально до 20%). Применение гетероструктурных полупроводников, за открытие и внедрение которых академик Ж.И.Алферов получил недавно Нобелевскую премию, увеличивает эффективность преобразователей вдвое. Панели солнечных преобразователей, располагаемых, как правило, в верхней части здания, заменяют тепловой коллектор, и вырабатывают ток, идущий на освещение, обогрев и механические работы.

Нашли применение устройства, которые преобразуют энергию излучения в электрическую и тепловую посредством фотохимических процессов. Среди фотохимических путей преобразования солнечной энергии наиболее значимыми являются следующие:

• фотокаталитическое разложение воды под действием металлокомплексных соединений;

• создание «солнечных фотоэлектролизёров», основанных на фотоэлектронных переносах или фотогальваническом эффекте;

• фотосинтез - наиболее эффективный биохимический способ преобразования энергии Солнца.

Для повышения эффективности применения возобновляемых источников энергии, современные здания должны иметь надежную теплоизоляцию, современную вентиляционную технику, кондиционеры. За счет экономии тепла расходы электроэнергии сокращаются в несколько раз.

Границы малой солнечной энергетики постоянно расширяются, и теперь она способна обеспечивать энергией не только отдельные дома, но и целые заводы. В качестве примера можно назвать металлургический завод под Ташкентом, экспериментальные СЭС-5 в Крыму и «Solar-1» в Калифорнии. Это гелиостанции башенного типа с котлом, поднятым высоко над землей, и большим числом параболических или плоских зеркал (гелиостатов), расположенных у подножия. Зеркала должны быть подвижными, отслеживать дневное перемещение Солнца с помощью механической системы, управляемой компьютером, что усложняет установку и очень сказывается на стоимости производимой энергии. Вырабатываемый котлом пар приводит в действие электрогенератор, как на тепловых станциях.

Главное препятствие для широкого распространения солнечных электростанций – высокая себестоимость электроэнергии, в 6–8 раз выше, чем на ТЭС. Хотя имеется тенденция к снижению (за счет более простых гелиостатов, более эффективных полупроводников, легких ленточных панелей), пока наземные солнечные электростанции не могут экономически конкурировать с ТЭС. Неоспоримым является экологический аспект. Солнечные станции намного «чище» тепловых.

Прогресс науки и улучшение международного климат будут способствовать внедрению солнечных электростанций. И все же наземные солнечные электростанции вряд ли способны полностью решить проблему «большой энергетики» для современной индустрии, как это делают в настоящее время крупные ТЭС и АЭС мощностью порядка 10 ГВт. Столь мощные солнечные электростанции были бы чрезвычайно громоздки, для их постройки нужно отчуждать огромные территории в пустынных местах и передавать электроэнергию на большие расстояния. При этом пропадает экологическая «чистота» и не устраняется тепловой нагрев Земли (что считалось изначально главными достоинствами солнечной энергетики). Чтобы предназначенное было полностью выполнено, надо выносить солнечные электростанции в космическое пространство. Работы по созданию таких орбитальных солнечных станций в настоящее время ведутся. Несомненно, что доля возобновляемых источников энергии, среди которых солнечная энергия играет основную роль, будет неуклонно расти. Существенно повлиять на указанные сроки могут надвигающееся истощение минеральных тепловых ресурсов, а также угрожающе растущий парниковый эффект и загрязнение окружающей среды.

1.2 Ветроэнергетика

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.

Для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую энергию применяют ветрогенераторы (ветроэлектрическая установка или ВЭУ). Мощность современных ветрогенераторов достигает 6 МВт.

Ветрогенераторы можно разделить на две категории: промышленные и домашние (для частного использования). Промышленные ВЭУ устанавливаются государством или крупными энергетическими корпорациями. Как правило, их объединяют в сети, образуя ветряную электростанцию. Основным условием для ее создания является высокий среднегодовой уровень ветра. Домашние ветрогенераторы имеют сравнительно небольшую мощность и используются для индивидуального электроснабжения.

Конструктивноветрогенераторы делят на две группы:

1. с горизонтальной осью вращения иликрыльчатые (рис. 2);

2. с вертикальной осью вращения иликарусельные: лопастные и ортогональные (рис.3).

Для крыльчатых ветродвигателей, наибольшая эффективность которых достигается при действии потока воздуха перпендикулярно к плоскости вращения лопастей, требуется устройство автоматического поворота оси вращения. С этой целью применяют крыло-стабилизатор. Крыльчатые ветрогенераторы нашли широкое распространение, так как могут соединяться с генератором электрического тока без мультипликатора.

Карусельные ветрогенераторы, в отличии от крыльчатых, при увеличении скорости ветра быстро наращивают силу тяги, после чего скорость вращения стабилизируется. Этот тип ВЭУ является тихоходным, что позволяет использовать простые электрические схемы, например, с асинхронным генератором, без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра. Тихоходность требует использование многополюсного генератора, работающего на малых оборотах. Такие генераторы не имеют широкого распространения, а использование мультипликаторов (повышающих редукторов) не эффективно из-за низкого КПД последних. Преимуществом карусельной конструкции является ее способность «следить за тем, откуда дует ветер. Ветродвигатели подобного типа строятся в США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде.

Основным недостатком ветроэнергетики является непостоянство скорости ветра, а следовательно, и энергии во времени. Ветер обладает не только многолетней и сезонной изменчивостью, но также изменяет свою активность в течение суток. Чтобы уменьшить колебания мощности или избежать их, ветровую энергию в периоды, когда имеется избыточная мощность, аккумулируют и затем используют в периоды безветрия или недостаточных скоростей ветра.

1.3 Геотермальная энергия

Геотермальная энергетика -  направление энергетики, основанное на производстве электрической энергии за счёт энергии, содержащейся в недрах земли, на геотермальных станциях. Геотермальная энергетика относится к возобновляемым энергетическим ресурсам. Этот экологически чистый и постоянно обновляемый источник энергии может быть использован в регионах с вулканическими проявлениями и геологическими аномалиями, когда вода вблизи поверхности земли нагревается до температуры кипения, в результате чего в виде водяного пара может подаваться на турбины для производства электрического тока. Горячая вода естественных источников (гейзеров) может быть использована непосредственно как источник тепла.

Однако геотермальные источники энергии рассеяны по территории земли. Пригодные для использования геотермальные ресурсы составляют около 1% общей теплоемкости верхней 10-километровой толщи земной коры.

Основные недостатки геотермальной энергии - необходимость обратной закачки отработанной воды в подземный водоносный горизонт, высокая минерализация термальных вод большинства месторождений и наличии в воде токсичных соединений и металлов, что в большинстве случаев исключает возможность сброса этих вод в расположенные на поверхности природные водные системы. Все это приводит к тому, что для практического использования теплоты геотермальных вод необходимы значительные капитальные затраты на бурение скважин, обратную закачку отработанной геотермальной воды, а также на создание коррозийно-стойкого теплотехнического оборудования.

1.4 Биогазовая энергетика

Биогаз - газ, получаемый метановым брожением биомассы.

Сырьём для биореактора являетсянавоз и помет птиц, растительные и молочные отходы, энергетические культуры (силосная кукуруза). Для повышения эффективности растительные отходы необходимо измельчать до минимально возможных размеров

В принципе, процесс биореакции в закрытом пространстве со временем начинается сам по себе, но существенно замедляется при низких температурах воздуха. Наиболее оптимальная температура для поддержания биологической активности метановых бактерий 30-40⁰С. Для искусственного ускорения начала процесса применяют подогрев биомассы с помощью обычного обогревателя-змеевика до температуры +38⁰С. Метантек (биореактор) с целью поддержания температурного режима тщательно теплоизолируют.

Для увеличения скорости брожения и образования биогаза применяют механическое перемешивание биомассы в биогазовой установке. Этот прием позволяет существенно сэкономить на объеме реактора, так как при отсутствии данной процедуры для получения того же объема биогаза потребуется реактор больших размеров.

На процесс брожения влияют и химические показатели, в частности, уровнь РН: если он высок, процесс существеннно замедляется либо вовсе останавливается.

Замедлению реакции сбраживания способствует наличие в биомассе сырья, содержащего антибиотики, консерванты и остатки моющих средств. Поэтому отходы жизнедеятельности человека малопригодны для биогазовых реакторов.

В биогазовых установках биогаз скапливается под тяжелой крышкой реактора, доводится до определенного давления и после отводится в систему газопотребления.

По типу конструкции биогазовые установки бывают следующих типов:

- без обогрева и без промешивания ферментируемой органики в реакторе;

- без обогрева, но с промешиванием органической массы;

- с обогревом и промешиванием;

- с обогревом, с промешиванием и с приборам, позволяющими контролировать и управлять процесс ферментации.

2.Практическая часть (демонстрация изготовления источников энергии)

Оказавшись на острове, современный Робинзон мог бы пользоваться сотовым телефоном, фонариком при условии, что он умел бы добывать электричество из кокосов и бананов.

Чтобы добывать электричество из овощей и фруктов, понадобятся медный и алюминиевый гвозди, медная проволока и вольтметр.

Суть эксперимента в том, чтобы поместить медный и алюминиевый гвозди в кислую среду. В кислой среде протекает реакция окисления, в результате которой и возникает электрический ток. Медь притягивает \электроны и возникает электричество.

Важно понимать, что электричество вырабатывается не из картофеля или уксуса, оно возникает благодаря химическим реакциям с участием цинка, меди и кислоты.

1. Уксусная батарейка. Заправив ёмкость уксусом, поместим в неё два электрода. Вольтметр показывает появление напряжения. Добавляя в уксус соль, видим увеличение показаний вольтметра.

2. Лимонная батарейка. Разомните лимон в руках, не повреждая кожуру. Воткните в него электроды. Посмотрите на показания вольтметра.

3. Картофельная батарея. Посолив картофель и добавив уксуса в отверстия для электродов увеличим напряжение в 2-3 раза.

Примечание: заряда такой батареи хватает на сутки и более.

Заключение

В теоретической части своего исследовательского проекта «Возобновляемая энергия – энергия будущего» я рассмотрел преимущества возобновляемых энергоресурсов над органическими видами топлива, провел теоретический обзор их основных типов, указал достоинства и недостатки.

В практической части исследовательского проекта мною были разработаны батареи, принцип действия которых основан на электролизе.

В результате я сделал вывод, что применение возобновляемых источников энергии является альтернативой традиционным видам энергии (тепловой, гидравлической и атомной), но для развития этого направления требуется поддержка со стороны государства.

Таким образом, я, используя методику проведения исследования, выполнил поставленные задачи, достиг цели исследования, подтвердил гипотезы, выдвинутые в начале исследования, и создал продукт проектной деятельности.

Таланты – это смелость,
Таланты – это про нас,
Строить будущее Казахстана
Время выбрало Нас!

Источники информации

1. .Компания «АльтЭнерго». Режим доступа:.http://altenergo.su/about/info/

2. Компания «Ваш солнечный дом». Режим доступа http://www.solarhome.ru/pv/pvsizing.htm

3.Независимая газета. Статья «Альтернативная энергетика – технологии для будущего» от 23.05.2012. Режим доступа: .http://www.ng.ru/nauka/2012-05-23/9_alternative.html

4.Режим доступа: http://www.solarbat.info/raschet-fotoeleketricheskoi-sistemi/vibor-avtonomnoi-solnechnoi-sistemi

5.Свободная энциклопедия Википедия. Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/ Альтернативная_энергетика

6.Свободная энциклопедия Википедия. Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/ Солнечная_батарея