Проект "Альтернативные источники энергии"

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«СОШ с. Горнозаводска»

Альтернативные источники электроэнергии

                                                Проектная работа

                                                                 Выполнила: Ожередова Виктория,

учащаяся 7 «Б» кл.

МБОУ «СОШ с. Горнозаводска»

Учитель: Гинкель Ирина Юрьевна,                                                                                   учитель физики.

                                                       2018

                                                       Содержание

1.Введение……………………………………………………………..…………..…..3

2.Основная часть…………………………………………………..…………….….…4

2.1. Электрогенераторы……………………………………….……………….….…..4

2.2. Энергия Солнца……………………………………………………….….…….…5

2.3. Энергия ветра………………………………………………………….……….…6

2.4. Биотопливо ……………..………………………………………………….....…..7

2.5.Энергия воды………………………………………………………...………….…8    2.6.Гидротермальные системы ………………………………………………...….….9     2.7.Сравнение альтернативных и традиционных источников энергии……..….....10  3.Практическая часть…………………………………………………………..….….11 4.Заключение……………………………………………………………………….....12 5.Список литературы и Интернет-ресурсов…………………………………………13              6. Приложение…………………………………………………………………………14

Введение

       Значение электрической энергии в жизни каждого из нас настолько велико, что его трудно оценить. Ведь электроэнергия для современного общества – это основа всех видов человеческой деятельности.  Но немногие из нас задумываются, как это благо цивилизации попадает к нам. Путь его долог по сложным системам электрических коммуникаций в виде проводов и кабелей.

Актуальность темы: в настоящее время очень остро поднимается проблема нехватки энергетических ресурсов. Ведь человеческая цивилизация очень динамична. Запасы нефти, угля, газа не бесконечны. Чем больше мы используем эти виды энергетического сырья, тем меньше их остается, и тем дороже с каждым днем они нам обходятся. Существует опасность, что основные виды традиционного топлива будут исчерпаны.  Неизбежность топливного дефицита в настоящее время ни у кого не вызывает сомнения.
Но что делать, если там, где вы живете, еще нет коммуникаций, то на помощь придут альтернативные источники электроэнергии.                                         

Тема моей работы: «Альтернативные источники электроэнергии».    

Цель: доказать преимущества использования альтернативных источников энергии.

Задачи:

1.Найти информацию по данной теме, используя литературу и Интернет-ресурсы;

2.Проанализировать «плюсы» и «минусы» в работе альтернативных источников электроэнергии;

3.Сравнить альтернативные и традиционные источники энергии;

3.Провести эксперименты; проанализировать результаты опытов; сделать выводы.

Гипотеза: если использовать альтернативные источники энергии, то это приведёт к сохранению природы.

Объект исследования: различные виды альтернативных источников энергии.

В работе представлено несколько распространенных в быту альтернативных источников электричества, которые широко применяются как в России, так и в европейских странах, и на американском континенте. Во многом они, конечно, дороже и более сложны в эксплуатации, чем центральная энергосеть; однако финансовые вложения будут полностью оправданы качественной и надежной службой, а также созданием благоприятной экологической среды.

                                                   Основная часть

Электрогенераторы       

Самый популярный в России альтернативный источник энергии, который больше всего востребован в частных загородных домах. По типу используемого горючего электрогенераторы бывают дизельными, бензиновыми и газовыми.

Дизельные генераторы обладают массой преимуществ, среди которых экономичность, надежность и небольшой риск возникновения пожара. Если использовать дизельный генератор регулярно, то он гораздо выгодней моделей, работающих на газе или на бензине. Расход топлива дизельного оборудования не велик, цена на дизель также держится на невысоком уровне, он не потребует дорогостоящего ремонта.
Недостатки дизельного генератора – большое количество газов, выделяемых при работе, шум и высокая стоимость самого аппарата. Цена «среднего» оборудования с выходной мощностью около 5 кВт,  в среднем составляет около 23 000 рублей; впрочем, за одно лето работы он полностью себя окупает.

Бензиновый генератор идеально подойдет как резервный или сезонный источник тока. По сравнению с дизельными, бензиновые генераторы имеют небольшие размеры, издают мало шума при работе, и по стоимости ниже - средняя цена бензинового генератора мощностью 5 кВт колеблется в диапазоне 14 -17 тысяч рублей. Недостаток у бензинового генератора – большой расход топлива, да и высокий уровень выделяемого углекислого газа потребует от вас размещения электрогенератора в отдельном помещении. 

Газовые генераторы – пожалуй, самые «выгодные» для применения в быту модели, которые отлично рекомендовали себя со всех сторон: они могут работать как от природного газа, так и от сжиженного топлива в баллонах. Уровень шума данного прибора очень низкий, а долговечность самая высокая; при этом цены лежат в умеренном диапазоне: за «домашний» прибор мощностью около 5 кВт придется отдать около 18 тысяч рублей. 

Энергия Солнца

 С каждым годом все популярнее становится еще один альтернативный источник электроэнергии – энергия солнца. Ее можно использовать не только для выработки электрической энергии, но и для обеспечения автономного отопления. На крышу, а иногда и на стены, устанавливаются солнечные батареи различной площади, которые имеют аккумулятор и инвертор; некоторое время назад мы писали об инновационной технологии – черепице со встроенными фотоэлементами.

Преимущества, которые обеспечивают солнечные батареи:

• Использование возобновляемого источника энергии;
• Абсолютно бесшумная работа;
• Экологическая безопасность, отсутствие каких-либо выбросов в атмосферу;
• Простой монтаж, возможность самостоятельной установки. 

Особенно часто можно встретить солнечные батареи на европейском и российском юге, где количество солнечных дней и зимой, и летом превышает количество пасмурных. Но есть и свои нюансы, о которых также необходимо помнить:

Даже при самом «солнечном» раскладе погоды суммарная мощность всех установленных фотоэлементов вряд ли превысит 5-7 кВт в час. Поэтому, если учитывать хотя бы приблизительную оценку, что на обогрев дома требуется энергия из расчета 1 кВт на 10 квадратных метров, то получаем, что на полностью «солнечном» питании может жить только небольшой дачный домик; двух-трехэтажные дома все-таки потребуют от вас дополнительных источников энергии, особенно если расход воды и света также велик. 

Но даже если домик маленький, то на установку оборудования придется выделить не менее 10 квадратных метров земли, поэтому на стандартных шести сотках с огородом и садом это представляется маловероятным.

И, конечно, есть вполне «природные» сложности – это зависимость от суточных и сезонных колебаний солнечного излучения: никто не гарантирует нам солнечной погоды даже летом. И еще один момент: хоть сами фотоэлементы и не выделяют токсичных веществ при работе, однако их утилизация не так проста, нужно сдавать их в специальные приемные пункты – так же, как и отработанные батарейки. Стоимость готовой станции начинается от 100 тысяч рублей, что тоже устраивает далеко не всех. Впрочем, солнечную энергию можно использовать и более «дешевым» способом: установить на участок коллектор для нагрева воды – он будет улавливать тепло в дневное время даже в пасмурные и дождливые дни. В принципе, суточную потребность в горячей воде коллектор для нагрева полностью удовлетворяет, а цена его начинается от 30 000 рублей. Но этот вид оборудования не вырабатывает электричество и способен функционировать только в южных регионах, где солнечная активность достаточно высока.

Энергия ветра

Установки для преобразования ветряной энергии в электричество уже не являются фантастическим техногенным будущим – достаточно посмотреть на поля в Германии и в Голландии, чтобы убедиться в повсеместном распространении ветряков.  При работе ветряков кинетическая энергия ветра преобразуется в механическую энергию вращения турбины, а инвертор, в свою очередь, генерирует переменный ток. Необходимо помнить вот о чем: минимальная скорость ветра, при которой будет образовываться электричество от маховика – 2 м/с, а оптимально, если скорость ветра будет в районе 5– 8 м/с; именно поэтому ветрогенераторы особенно популярны в северо-западных регионах Европы, где среднегодовая скорость ветра весьма высока. По типу конструкции ветряные генераторы различаются на горизонтальные и вертикальные: это зависит от крепления ротора.

Горизонтальная конструкция генератора хороша высоким показателем КПД, при монтаже будет использоваться небольшое количество материалов. Но придется столкнуться с некоторыми трудностями: для монтажа потребуется высокая мачта, а сам генератор имеет сложную механическую часть, и ремонт может быть очень сложным.  Вертикальные генераторы могут функционировать в большем диапазоне скоростей ветра; но при этом их установка гораздо сложнее, и для крепления мотора понадобится дополнительная фиксация. 

Чтобы сгладить разницу между ветреным сезоном и штилем и питать дом электрическим током бесперебойно, ветряная станция обычно снабжается накопительным аккумулятором. Еще одной альтернативой установки аккумуляторной батареи к ветряной станции станет воднакопительный бак, который используется как для отопления, так и для горячего водоснабжения. В таком случае вам удастся немного сэкономить на покупке – впрочем, стоимость ветрогенератора все равно останется высокой: около 300 тысяч рублей, без аккумулятора – около 250 тысяч.

Еще один нюанс, который следует учитывать при обустройстве ветряной станции – необходимость создания фундамента под оборудование. Фундамент нужно укреплять с особенной тщательностью, если в вашей местности скорость ветра периодически превышает 10 -15 метров в секунду. А в зимний период необходимо будет следить, чтобы лопасти ветростанции не обледеневали, это сильно снижает КПД. Кроме того, вибрации и шум от работы ветряка становятся причиной того, что станцию желательно размещать не менее чем в 15 метрах от жилого дома.

Биотопливо

Биоэнергия – это совокупность целого спектра альтернативных источников энергии. Этот спектр объединяют одним общим понятием биомасса. По сути это результат жизнедеятельности всех живых организмов нашей планеты. Ежегодно прирост биомассы на планете достигает 130 млрд. тонн сухого вещества.      

Сегодня более 99% автовладельцев используют топливо, производимое из нефти. И с каждым днем количество автомобилей на дорогах растет. Нефтяное топливо едва ли можно считать возобновляемым. Количество нефти с каждым годом неумолимо уменьшается.               

О биотопливе как об «экологической технологии будущего» сейчас говорят везде и всюду. Вокруг него разгорелась масса споров и противоречивых отзывов: оно привлекательно в качестве топлива для машин, так как имеет привлекательную цену, но при этом многие водители подозревают негативное влияние биоматериала на мотор и мощность. Оставим в стороне автомобильные проблемы: ведь биотопливо может использоваться не только в качестве горючего для транспортных средств, но и как источник электрического тока: им можно заменить газ, бензин и дизель при заправке оборудования.

  Биотопливо производится путем переработки растительных остатков – стеблей и семян. Для изготовления биологического дизеля применяют жиры из семян масляных культур, а бензин производят путем ферментации кукурузы, сахарного тростника, свеклы и других растений. Наиболее оптимальным источником биологической энергии признаны водоросли, так как они неприхотливы в выращивании и легко превращаются в биомассу с похожими на нефть маслянистыми свойствами. 

 Биотопливо : 1)жидкое: метанол, этанол, биодизель;

2) газообразное: водород, сжиженный нефтяной газ;

3)твёрдое: дрова, уголь, солома.
По данной технологии также получают биологический газ, который собирают при брожении органических отходов пищевой промышленности и животноводства: на 95 % он состоит из метана. Экологические технологии позволяют собирать природный газ на свалках! 1 тонна бесполезного мусора производит до 500 кубометров полезного газа, который потом превращается в целлюлозный этанол.

Если говорить о бытовом использовании биотоплива для выработки электрической энергии, то для этой цели нужно приобрести индивидуальную биогазовую установку, которая будет вырабатывать природный газ из отходов. Понятно, что этот вариант реализуем только в загородном доме, где есть собственная свалка биологических отходов на улице.

Стандартная установка даст вам от 3 до 12 кубометров газа в сутки; полученный газ затем может использоваться для отопления дома и заправки различного оборудования, в том числе и газового генератора электроэнергии, о котором мы писали выше. К сожалению, биогазовые установки пока  доступны не повсеместно: отдать за нее придется как минимум 250 000 рублей. 

Развивается еще много направлений получения органического топлива, например, из целлюлозы этанол. Растительные масла получает из самых различных представителей флоры (более 20 наименований), но лидером остается Рапс. Это маслянистое растение, которое легко выращивается в сельскохозяйственных условиях.

В феврале 2006 года Евросоюзом был принят документ «Стратегия для биотоплива», который описывает рыночный, законодательный и исследовательский потенциал по увеличению использования биотоплива. Пусть сегодня процентная доля биотоплива в мировой топливной энергетике не достигает даже 1%, с таким количеством преимуществ ситуация должна сильно измениться уже в ближайшее время.

Энергия воды

Если у вас есть в распоряжении собственная проточная вода (участок ручья или речки), то хорошим решением станет строительство индивидуальной ГЭС. По монтажу этот тип генераторов энергии относится к самым сложным, зато его КПД значительно выше, чем у всех вышеописанных источников – и ветряных, и солнечных, и биологических.                                                             ГЭС могут быть плотинными и бесплотинными, второй вариант более распространен и доступен – часто можно встретить синонимичное название «проточная станция». По своему устройству станции делятся на несколько типов:

• Станция с водяным колесом оснащена центральной круглой частью с лопастями, установленной перпендикулярно водяной поверхности. При движении вода давит на лопасти и крутит колесо. Принцип работы такой же, как в ветряной станции, только же в качестве источника выступает вода. Более сложные конструкции колесных водяных электростанций – колесо-турбина, имеющее специальные лопатки для струи воды. 

• Станция с гирляндой представляет собой трос, на котором жестко закреплены роторы. Трос крепится на противоположных берегах водяного потока, роторы погружены в воду. При движении вода вращает роторы, а они передают это движение тросу. 
• Станция с ротором Дарье имеет конструкцию, похожую на предыдущую, но здесь ротор расположен вертикально и вращается за счет разных показателей давления в его лопастях. Этот показатель создается за счет сложной формы поверхности. 
• Станция с пропеллером – это подводная установка с вертикальным ротором. Внешне данные установки схожи с ветряками, имеющими маленькие лопасти.

Наиболее оптимальный и распространенный вариант, который подходит для изготовления своими руками – это станция с пропеллером или колесом; можно найти в интернете массу инструкций и полезных советов.
Самым же сложным и неудобным решением будет гирляндная установка: она имеет невысокую производительность, довольно опасна для окружающих людей, а монтаж станции потребует расхода большого количества материалов и много времени. В этом плане ротор Дарье более удобен, так как ось расположена вертикально, а установить ее можно над водой. При этом смонтировать такую станцию будет сложно, а ротор при старте необходимо вручную раскручивать.

Если приобретать готовую мини-ГЭС, то ее средняя стоимость составит около 200 тысяч рублей; самостоятельный сбор комплектующих сэкономит до 30% стоимости, но потребует много времени и сил.

Гидротермальные системы

К категории гидротермальных  систем относят подземные бассейны пара или горячей воды, которые выходят на поверхность земли, образуя гейзеры, сернистые грязевые озера и фумаролы. Образование таких систем связано с наличием источника теплоты  горячей или расплавленной скальной породой, расположенной относительно близко к поверхности земли. Они обычно размещаются по границам тектонических плит земной коры, которым свойственна вулканическая активность.

В принципе для производства электроэнергии на месторождениях с горячей водой применяется метод, основанный на использовании пара, образовавшегося при испарении горячей жидкости на поверхности. Этот метод использует то явление, что при приближении горячей воды (находящейся под высоким давлением) по скважинам из бассейна к поверхности давление падает и около 20 % жидкости вскипает и превращается в пар.

Сравнение альтернативных и традиционных источников энергии

Альтернативные источники требуют зачастую немалых первоначальных затрат и не столь мощны как АЭС и ГЭС. Однако они полностью экологически безопасны и существуют  огромные поля солнечных панелей в жаркой пустынной местности, которые вырабатывают мегаватты электроэнергии, в Европе так же созданы большие поля, где множество ветрогенераторов. Фермерские хозяйства, использующие установку на биотопливе  (навоз) получают безотходное производство. После брожения навоз являет собой прекрасное натуральное удобрение для полей.    Традиционный же способ сжигания углеводородов (нефть, газ, уголь) для добычи энергии является не только первопричиной бесчисленного множества вреднейших выбросов в атмосферу, разрушающих озоновый слой планеты, который  защищает всё живое от смертельного космического излучения и причиняющих вред здоровью при вдыхании (смог городов), но и сам по себе такой способ добычи энергии при внешних научных достижениях, выглядит просто варварским – это как забивать гвозди сотовым телефоном. Не  говоря, уже о том, что добыча углеводородов не дешёвое удовольствие и этот источник уже иссякает, а потребление его в мире возрастает. Достаточно вспомнить не столь давнюю аварию в Мексиканском заливе – колоссальная экокатастрофа затронувшая несколько стран. Большинство АЭС построены в прошлом веке и не рассчитаны на землетрясения амплитудой свыше 7 баллов. Однако сейчас климат меняется. Ураганы, наводнения и землетрясения происходят там, где таковых никогда ранее не было.

 11 марта 2011 года в результате сильнейшего за время наблюдения землетрясения в Японии на АЭС произошла радиационная авария. На атомной электростанции «Фукусима-1» три работающих энергоблока были остановлены. В результате заражены многие квадратные километры на десятки, а где и сотни лет. Они не пригодны для проживания. Всему миру печально известен пример Чернобыльской АЭС. Хранилища ядерных отходов, разбросанных по миру дремлющие бомбы. Если из-за какого-то стихийного бедствия откажет оборудование, охлаждающее их, то рванут не хуже АЭС.

                                                   Практическая часть

Опыт №1. Измерение напряжения и силы тока на солнечных батареях разных размеров.                                                                                                                     Оборудование: две солнечных батареи, мультиметр, миллиамперметр.                                                                    Ход работы: измерить площадь   батарей, измерить напряжение на них, сравнить результат, сделать вывод.

Вывод: напряжение и сила тока тем больше, чем больше площадь солнечной батареи, при этом больше  получено электроэнергии.

Опыт №2. Измерение напряжения на солнечных батареях, соединённых последовательно и параллельно.

Оборудование: две солнечных батареи, мультиметр.                                                                    Ход работы: соединить две батареи последовательно, измерить напряжение, повторить опыт, соединяя батареи параллельно; показания занести в таблицу, сравнить результаты, сделать выводы.

Вывод: при последовательном соединении солнечных батарей напряжение больше,  значит, выработано больше электроэнергии.

Опыт №3. Измерение силы тока  в электрической цепи при разной скорости ветра.

Ход работы: собрать электрическую цепь; направить поток воздуха на пропеллер с помощью фена; измерить силу тока при разной скорости ветра, сравнить результаты, сделать вывод.

Оборудование: ветряное колесо (пропеллер), фен, миллиамперметр.

Вывод: при сильном ветре вырабатывается больше электроэнергии.

Опыт №4. Проверить, вырабатывается ли электроэнергия при падении воды с некоторой высоты на лопасти турбины.

Оборудование: водяное колесо, стакан с водой, линейка, миллиамперметр.                               Ход работы:  соединить водяное колесо с миллиамперметром; с небольшой высоты лить воду  из стакана на водяное колесо; измерить силу тока; записать измерения в таблицу; повторить опыт, изменяя высоту падения воды; сравнить результаты, сделать вывод.                                                                                                                                      

Вывод: чем выше высота падения струи воды, тем больше вырабатывается электроэнергии.

                                                              Заключение

Стоит отметить, что все перечисленные   источники не очень экономичны и удобны. Ветер дует неравномерно и не всегда. В районе ветряков  не летают птицы, значит, и человеку жить не безопасно. Хотя солнечный свет существует не круглосуточно и имеет  неравномерную яркость,  солнечные батареи – это наиболее приемлемый вид альтернативного источника  энергии. Есть в России уже  экопоселения, которые обходятся только солнечными батареями, но их количество для современного дома должно быть очень большим, а это затратное дело.

В ходе экспериментов убедились, что с помощью солнца, ветра и воды можно получать электрическую энергию. Анализ информации по данной теме и выводы проведённых экспериментов подтверждают выдвинутую гипотезу: «Если использовать альтернативные источники энергии, то это приведёт к сохранению  природы». Альтернативные источники электрической энергии более безопасные,  экологичные и по своей природе неистощимые. При использовании их можно комбинировать.  

В настоящее время в мире всего 1% электропотребления приходится на альтернативные источники. Несмотря на это, развитие науки позволит создавать более дешёвые  и экологичные установки, а значит, существенно снизит и стоимость такой энергии, и вред для окружающей среды.

Поэтому переход  к альтернативным источникам  энергии неизбежен, и они займут достойное место  в нашей повседневной жизни и промышленности.

Список литературы и Интернет-ресурсов

1. Блудов, М.И.. Беседы по физике. Часть 2./ М.И. Блудов.– М.: Просвещение, 1985. - 250с.
2. Бурдаков В.П.. Электроэнергия из космоса. – М.: Энергоатомиздат , 1991. – 152 с.
3. Кириллин В. А. Энергетика. Главные проблемы: В вопросах и ответах. – М.: Знание, 1990. – 128 с .
4. Пёрышкин, А.В.. Физика.8кл.: учеб. для общеобразоват. учреждений/ А. В. Пёрышкин. – М.: Дрофа, 2013. – 237с.
5. Томилин, А.Н.. Мир электричества/ А.Н.Томилин-2-е изд. Стереотип-М.:Дрофа,2008, - 208с.  
6. Чирков, Ю. Г.. Занимательно об энергетике. М.: Мол. Гвардия, 1981г.
7. Шейндлин, А. Е.. Проблемы новой энергетики. М.: Наука, 2006. – 405с.
8. Юдасин Л. С.. Энергетика: проблемы и надежды. – М.: Просвещение, 1990. – 207с.
9.  http://science-interest.ru/article/fizika/g_energy.html
10.  http://elettracompany.com
11.  http://elettracompany.com
12. .http://energy-source.ru/istochniki/bio.html