Исследовательская работа
творческая работа учащихся по физике (11 класс)

Эффективность использования электроэнергии

Работу подготовил:

Зуев Андрей, ученик 11А класса

Научный руководитель:

Зубарев Виктор Николаевич, учитель физики

Оглавление:

1.  Введение.
2. Основная часть.

1. Структура Российской энергетики и нашего округа.
2. Использование электроэнергии в быту (на примере нашей квартиры).
3. Определение КПД электронагревательных приборов.
4. Изучение эффективности использования некоторых электроприборов в школе №4.
5. Схема холодильника с высоким КПД.
6. Получение электроэнергии различными способами в школьной лаборатории.

3. Заключение.
4. Список использованной литературы.

I. Введение.

Научно-технический прогресс невозможен без развития энергетики и электрификации и поэтому электроэнергетика одно из основных направлений развития экономики России. От нее зависит и промышленность, и транспорт, и сельское хозяйство. В нашей стране производят немало электроэнергии, но в сравнении с Китаем и США значительно меньше. Коэффициент полезного действия производства считается невысоким из-за большого количества различных потерь. Человечеству электроэнергия нужна и  потребности в ней увеличиваются с каждым годом. Вместе с тем запасы традиционных природных топлив (нефти, угля, газа и др.) конечны. Поэтому важно на сегодняшний день найти выгодные источники электроэнергии, причем выгодные не только с точки зрения дешевизны топлива, но и с точки зрения простоты конструкций, эксплуатации, дешевизны материалов, необходимых для постройки станции и её долговечности.

В данной работе я решил разобраться в некоторых проблемах, связанных с получением и использованием электроэнергии, узнать где и сколько мы теряем электроэнергии и как можно повысить КПД ее применения. Кроме этого были поставлены и такие задачи: предложить собственные проекты более рационального использования электроэнергии, а также научиться, самому получать электроэнергию.

II.Основная часть.

1. К традиционным источникам в первую очередь относятся: тепловая, атомная и энергия потока воды. Российская энергетика сегодня - это 600 тепловых, 100 гидравлических и 9 атомных электростанций, которые распределяют производство электроэнергии следующим образом:

1. Тепловые электростанции – 68,4%
2. Гидроэлектростанции – 20,3%
3. Атомные электростанции – 11,1%
4. Альтернативные (солнечные, геотермальные, ветровые и т.д.) – 0,2%

Мы живем в регионе с суровыми климатическими условиями. Для создания нормальных условий жизни необходимо много электроэнергии. Недалеко от города Покачи находится самая крупная на Евразийском континенте Сургутская ГРЭС – 2. Станция обеспечивает электроэнергией районы Западной Сибири и Урала и является самой крупной электростанцией России по выработке электроэнергии и второй в мире по мощноститепловой электростанцией.

Установленная мощность Сургутская ГРЭС – 2  составляет 5597,1 МВт.К числу крупнейших станций относится также Сургутская ГРЭС-1. Установленная электрическая мощностьеё - 3268 МВт. Она обеспечивает централизованное электроснабжение на территории более 1 млн кв. км. Основными потребителями электроэнергии генерирующихмощностей являются нефтегазодобывающие компании, расположенные на территории Тюменской области.

Работа Сургутской ГРЭС – 1 и ГРЭС – 2 видна издалека, так как при сжигании топлива поглащается кислород() и образуются молекулы углекислого газа и воды (). Происходит при этом следующая реакция: +2=++Q , где Q=1,33×Дж.

Для отопления обычной квартиры в месяц требуется примерно 4,2× Дж, что соответствует большому количеству сжигаемого топлива. Если мы не эффективно расходуем электроэнергию, то это означает, что где-то бесполезно горит топливо и загрязняется окружающая среда.

2.В своей работе я решил получше разобраться в том, как более рационально использовать электроэнергию. Сейчас у каждой семьи в квартире имеется много различных электроприборов с разной мощностью и разным временем использования.

В таблице №1 представлены электроприборы, их мощность, время работы, где я рассчитал стоимость работы электрического тока в сутки и в месяц с тарифом 1,6 рубля за 1КВт×ч.

Чтобы узнать какое количество топлива сжигается для  получения 1КВт×ч электроэнергии, я сделал следующий расчет.

Дано:                                                                   Решение:

А = 1КВт×ч                           КПД = ×100%

КПД = 30%                                  Q = q×m

 = 40×Дж/кг                  30 = ×100

 = ?                                      30 =

                                                30×4m = 36;               m = 0,3кг

Ответ: надо сжечь топлива массой 0,3 кг.

Отсюда следует, что в день надо сжигать 48×0,3=14,4кг топлива для получения 48КВт×ч. А в месяц нужно израсходовать 1445×0,3=433,5 кг топлива.

Наибольшие затраты электроэнергии как видно из таблицы №1приходятся на нагревательные приборы.

3.Я решил выяснить с каким коэффициентом полезного действия (обозначение КПД), мы проводим нагревание.

Для этого я взял электрический чайник мощностью 2000Вт с различными массами воды и провел следующие измерения и расчеты:

Дано:

m = 0,5кг

t = 104с

P = 2000Вт

Дано:                

m = 1кг

t = 181с

P = 2000Вт

По полученным данным можно сделать вывод о том, что коэффициент полезного действия электрического чайника достаточно высокий и зависит  от массы нагреваемой в нем воды.  

Нагрев на электроплите происходит по-другому. Мною была сделана проверка эффективности такого нагревания. Для своего опыта я воспользовался электроплитой мощностью 350 Вт

Дано:

P = 350 Вт

m = 0,2 кг

= 946c

 = 26 C

 = 100 C

КПД = ?

Отсюда следует, что при нагревании на электроплите много энергии тратится впустую, до 81,3% и, чем дольше длится нагревание, тем больше потери. Следовательно, для повышения коэффициента полезного действия необходимо, по возможности, использовать более мощные нагреватели и желательно использовать закрытые емкости, например: мультиварка.

4.Сейчас в школах используется много различной техники, которая потребляет электроэнергию. Я решил выяснить, как эффективно это происходит. Например, для удобства включения некоторых приборов, такие как телевизор и проектор используется пульт, а это значит, данные приборы, как правило, находятся в режиме ожидания и при этом потребляют электроэнергию.

Чтобы узнать какую электроэнергию, был разработан способ измерения потребляемой мощности.

Схема 1              

                                    220В

Затем измерим мощности телевизора и проектора в режиме ожидания.

Измерение мощности телевизора в рабочем и ждущем режиме.

Дано:                1)  =  =  = 0,318A

=10 Ом              =  =  = 0,037A

=3,18B           2) = U×=220×0,318=70Вт

=0,37B               = U×=220×0,037=8Вт

=220B           Ответ:  = 70Вт,  = 8Вт

=?

=?

Измерение мощности проектора в режиме ожидания. 

Дано:        

= 10 Ом

= 0,48B

= 220В

P = ?

Полученные результаты, вроде бы не большие, но если учесть, что в данном режиме эти приборы могут находиться целыми сутками, то общая затрата становится весьма ощутимой.

Сейчас мы не представляем свою жизнь без компьютеров. И, как правило,  много времени компьютер также находится в режиме ожидания. Я провел измерения мощности компьютера в этом режиме и получил следующие результаты.

Измерение мощности компьютера в режиме ожидания.

Дано:

= 10 Ом

= 1,24B

= 220В

P = ?

Затем узнал общие затраты за сутки и за месяц для школы №4

Затраты электроэнергии проектора в режиме ожидания за сутки:

 =  P×t =  11×24 = 264Вт×ч = 0,264КВт×ч

За месяц:

 = ×30 = 0,264×30 = 7,9КВт×ч

Затраты электроэнергии компьютера за t=5 часов:

= 27×5 = 135Вт×ч = 0,135КВт×ч

За месяц: = ×30 = 0,135×30 = 4КВт×ч

Эти же затраты в масштабах школы №4:

За сутки: +) × N = (0,264+0,135) × 51 = 20КВт×ч

За месяц: () × N = (4+7,9) × 51 = 607КВт×ч

Стоимость этой бесполезно потраченной энергии:

За сутки: +) × N × Т=(0,264+0,135) × 51 ×1,6 = 32 руб.

За месяц: () × N × Т = (4+7,9) × 51 ×1,6 = 971 руб.

И сколько топлива сжигается при этом: за сутки m=5,7 кг, за месяц m=171,3 кг.

Вывод:  используя электроприборы, нужно знать, откуда берется электроэнергия (у нас в основном от сжигания топлива) и если она используется впустую, значит где-то просто сжигается топливо и страдает экология.

5.Для хранения продуктов, мы все применяем холодильные установки, которые потребляют много электроэнергии. И в сильную жару и холодное время года  мы сжигаем топливо, чтобы получить холод. Звучит абсурдно, но это так.

Когда-то давно люди хранили продукты в ящиках на улице или за окном. Это было не очень удобно, но зато без энергозатрат.

Мне кажется, что холодильные установки нужно усовершенствовать таким образом, чтобы окружающий нас холод использовался с пользой.

Предлагаю следующую схему

Такой холодильник будет работать в комбинированном режиме: как обычный, от электричества и в холодное время будет использовать окружающий нас холод, что позволит сэкономить немало электроэнергии.

6.Во многих странах для производства электроэнергии пытаются использовать различные виды энергии:  энергию Солнца, энергию приливов и отливов, энергию ветра и многое другое. У нас доля этих источников энергии незначительна.

Я провел несколько опытов по получению электроэнергии нестандартными способами:

1. Налил в ёмкость воду и опустил туда два электрода: первый медный, а второй цинковый. Затем, с помощью мультиметра измерил выработанное напряжение. Оно составило 0,89В. 

      То есть, из обыкновенной воды можно извлекать электричество.

Приложение 7

2. При сгорании топлива много теплоты уходит в окружающую среду. Например, у нас до сих пор еще горят факела от попутного газа. Это же тепло можно использовать.

Мною были проведены следующие измерения. Я взял различные кусочки проволоки и сделал из них  простейшие термоэлементы, с помощью которых получил при нагревании различные напряжения. А чтобы его повысить, необходимо соединить термоэлементы в батареи.

Приложение 8

3. Хорошие результаты были получены с помощью солнечной батареи, которая дает напряжение от любого источника света, а от яркого солнца оно доходило до 2В.

Приложение 9.

4. Из подручных материалов можно изготовить компактный источник тока из монет, фольги и бумаги. Напряжение первого элемента составляет не менее 0,5В, а из нескольких элементов 2 В.

Приложение 10

5)Используя небольшой электрический двигатель из школьного набора я собрал мини электростанцию, в которой за счет механической энергии получил электрический ток, от которого загорелась лампочка. 

Приложение 11,12.

С помощью этих и других способов можно получить немало электроэнергии, причем экологически чистой. В некоторых странах пытаются использовать любую возможность для получения электричества. Я думаю, и нам стоит задуматься над этим, а не полагаться только на сжигание топлива.

III. Заключение.

В проделанной мною работе были затронуты лишь некоторая часть проблем,  касающихся эффективности использования электроэнергии и по этому исследованию можно сделать следующий вывод:

1. Бережное отношение к электроэнергии невозможно без знаний о том, откуда она берется у нас в стране и в нашем регионе.
2. Нагревание производится с различным КПД Можно терять при этом от 20 до 80 % электроэнергии. На энергозатраты влияют мощность нагревателя, а также способ нагревания. Зная об этом можно сэкономить немало энергии.
3. Многие современные электроприборы находятся в режиме ожидания для удобства включения их в любой момент. Мало кто задумывался над тем, сколько электроэнергии они при этом потребляют. По полученным мной результатами можно сделать вывод о том, что необходимо исключать такой режим работы.
4. Широко используемые сейчас компьютеры, много времени остаются включенными и при этом, их потребляемая мощность достаточно большая (примерно 30 Вт). Необходимо более рационально их использовать.
5. В холодную погоду тратить энергию для получения холода не совсем разумно, необходимо спроектировать холодильные установки, использующие природный холод.
6. Проделав опыты по получению электричества в условиях школьной лаборатории, я думаю, что это надо более широко внедрять в практику, как это уже делают в некоторых странах.