Номинация «Энергия и человек»

Муниципальное общеобразовательное учреждение –

средняя общеобразовательная школа с. Альшанка

Екатериновского района Саратовская обл." href="/text/category/saratovskaya_obl_/" rel="bookmark">Саратовской области

районный конкурс детского творчества

« Шаг в будущее »

Номинация

«Энергия и человек»

«Альтернативные источники энергии»

Автор:Рузняев Александр,1998г., ученик 7 класса МОУ-СОШ с. Альшанка. дом. адрес: 412141 Саратовская область, Екатериновский район, с. Альшанка ул. *** Руководитель: , учитель химии и биологии МОУ-СОШ с. Альшанка 412141 Саратовская область, Екатериновский район, с. Альшанка, ул. Революционная, д. 33А. телефон [phone]г.

Содержание

1.Аннотация 3

2. Введение ( задача, цель, значение работы) 4

3. Вступление 5

4. Вода – альтернативный источник энергии. 5-6

5. Энергия приливов 6-7

6.Проблемы гидроэнергетики 8

7.Грунтовые воды 8

8.Большая гидроэнергетика 9-10

9.Малые гидроэлектростанции 10Энергия волн 11-12

11.Солнце – источник энергии 13-17

12.Выводы и практические рекомендации 17

13.Список литературы 18

14.Приложения 19-23

Аннотация

Работа включает основные сведения об альтернативных источниках энергии: рек, приливов и отливов, энергии солнца, ветра. В работе указаны: 1) преимущества и недостатки применения этих источников; 2) экологические последствия; 3) пути решения проблем; 4) как можно использовать солнечную энергию при эксплуатации зданий; 5) проблемы гидроэнергетики Работа включает 18 страниц, 5 приложений с иллюстрациями, используемые литературные источники (учебники экологии и интернет-страничка)

Задача: приобщение учащихся к пониманию энергетической проблемы современности и участию в ее решении. Цель работы: формирование разносторонне развитой гармоничной личности с экологическим мышлением, стремлением активно участвовать в мероприятиях по охране природных ресурсов, защите окружающей среды.

Значение работы: показать значение альтернативных источников энергии в современной структуре энергоснабжения.

« Без энергии невозможно существование физического мира, а раз это так, то мы не можем представить себе развитие без изменения масштабов или характера энергетических потоков. И ввиду того, что энергия имеет столь фундаментальное значение, каждое из этих изменений влечет экологические последствия». Эти слова принадлежат известному экологу Д. Бруксу.

Бурно развивающаяся мировая экономика требует все больших энергетических затрат, непрерывного роста энерговооруженности хозяйства стран мира, повышения доли механизации и автоматизации производства. Традиционные энергоресурсы, уголь, нефть, природный газ истощаются. Открытие и освоение новых месторождений стоит дорого и требует немало времени. По подсчетам специалистов, при современных объемах энергопотребления разведанных запасов топлива на Земле хватит на 150 лет, в частности нефти – на 35, угля –на 425 , природного газа – на 50 лет. Важнейшим направлением решения энергетической проблемы является изменение структуры мирового энергобаланса, в котором заметное место отводится атомной энергетике, возрастает роль альтернативных источников энергии. В ряде стран успешно осуществляются теоретические разработки и практическое внедрение по использованию возобновляемых источников энергии. Согласно исследованиям американских компаний, развитие ветроэнергетики в отдельных районах США смогло бы обеспечить 40% спроса на электроэнергию в стране. По оценкам ученых США, ветровая энергия страны превышает по мощности энергию всех национальных запасов ископаемого топлива. В Египте резервы ветровой энергии сравнимы с мощностью Асуанской ГЭС. Вода, которую ещё в древности использовали для совершения механической работы, до сих пор остаётся хорошим источником энергии - теперь уже электрической для нашей промышленной цивилизации. Энергия падающей воды, вращавшей водяное колесо, служила непосредственно для размола зерна, распиливания древесины и производства тканей. Однако мельницы и лесопилки на наших реках стали исчезать, когда в восьмидесятых годах прошлого века началось производство электроэнергии у водопадов. Существуют традиционные и нетрадиционные способы получения энергии: сооружение крупных ГЭС, использование энергии приливов, морских течений, перепада температур.

ЭНЕРГИЯ ПРИЛИВОВ Морские приливы вызваны гравитационным воздействием Луны. Энергия, которую несёт с собой приливная волна, колоссальна. В течение лунного месяца (28 дней), в первой фазе полнолуния и в последней четверти высота приливов наибольшая. В некоторых местах высота приливной волны достигает 18-20 метров. Трение приливной волны о дно берега затормаживает даже вращение Земли. За последние 400 миллионов лет длина земных суток из-за этого торможения увеличилась на целых 2 часа - с 22 до 24 часов. Уже в десятом столетии люди умели использовать энергию приливов. Так, на побережье Англии в устьях рек было построено множество мельниц. Река перегораживалась дамбой с воротами. Напор прилива открывал ворота и заполнял водохранилище за дамбой. Отлив сам запирал ворота, а накопленная в водохранилище вода по мере надобности направлялась на мельничное колесо. Круговорот воды в природе происходит благодаря активности Солнца, в результате чего вода испаряется из океанов, морей и других водных поверхностей, формирует тучи, выпадает в виде дождя или снега и попадает назад в океан. Энергия этого круговорота, движимого Солнцем, наиболее эффективно используется в гидроэнергетике. Использование воды для получения механической энергии - достаточно старая практика. Струя воды приводит в движение лопасти и может вращать их со скоростью, необходимой для производства электроэнергии. Количество энергии, вырабатываемой за счет воды, определяется перепадом высот. К другим методам применения энергии воды относится результат действия ветра, который возникает благодаря неравномерному нагреву земли и воды Солнцем. Из нескольких типов гидроэнергии, только происхождение приливов не связано с Солнцем. Гравитационное поле Луны является причиной приливов, величина которых зависит от широты и географии места. В целом, энергия, заключённая в круговороте воды и морских волнах огромна, но использование этой энергии является достаточно трудным. Наиболее распространённым методом применения энергии воды является традиционная гидроэнергетика, т. е. технология, позволяющая производить электроэнергию за счет падающей воды. К принципиальным преимуществам гидроэнергетики можно отнести способность к быстрому восстановлению собственных ресурсов, отсутствие загрязняющих выбросов в атмосферу, возможность быстро регулировать нагрузку в сети, низкая стоимость процесса производства электроэнергии. В ходе выполнения гидроэнергетических проектов также осуществляется рекреация воды в резервуарах или отводящих каналах, расположенных ниже дамб. К недостаткам большой гидроэнергетики относятся большие капиталовложения в строительство гидроэлектростанций (ГЭС), а также вред, который наносится окружающей среде в процессе строительства и эксплуатации ГЭС. (приложение 1) Существуют два главных фактора, которые определяют энергетический потенциал: расход воды за единицу времени и высота падения воды по вертикали. Верхняя точка, с которой падает вода - вершина - может быть естественной благодаря топографическому местоположению или может быть создана искусственно посредством строительства дамб. Этот принцип остается постоянным. Другой фактор - расход воды - прямой результат интенсивности, распространения и продолжительности дождевых осадков. Он также зависит от прямого парообразования, испарения, инфильтрации в землю, площади бассейна реки и грунта. Реки являются частью процесса круговорота воды в природе, "управляемого" солнцем. Вода испаряется с поверхности мирового океана в атмосферу, затем выпадает в виде осадков на Землю, после чего различными наземными и подземными потоками вновь "возвращается" в океан.

ПРОБЛЕМЫ ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ

Основной причиной того, что ГЭС не строят повсеместно, является высокая стоимость их строительства, а также необходимость наличия больших водных ресурсов в относительной близости к населенным пунктам. К другим проблемам, связанным со строительством ГЭС, относятся: воздействие дамб на речные экосистемы и социальные проблемы, в частности, связанные с переселением жителей. (приложение 2) ГРУНТОВЫЕ ВОДЫ

Грунтовые воды играют важную роль в поддержании существующей экосистемы, ее флоры и фауны. В большинстве стран грунтовые воды являются также источником питьевой воды. Водохранилища вместе с изменением и возможными колебаниями уровня воды, вызванными наличием ГЭС, влияют на уровень грунтовых вод в окружающих районах, что, в свою очередь, может повлиять на качество воды и перемещение осадков в русле реки в результате стока и эрозии.

БОЛЬШАЯ ИЛИ МАЛАЯ? ГЭС различаются по мощности от нескольких сот ватт до более чем 10.000 МВт. Классифицируются ГЭС достаточно просто: обычно все электростанции с мощностью более 10 МВт считаются большими, а все другие - малыми. Существует также классификация ГЭС малой мощности, в которой применяются такие термины как "микро" или "нано" (сверхминиатюрная) относительно ГЭС мощностью меньше 1 кВт. Однако стоит обратить внимание на определённые характеристики и основные различия между большими и малыми ГЭС.

БОЛЬШАЯ ГИДРОЭНЕРГЕТИКА

Большие ГЭС по своей природе требуют хорошей инфраструктуры: в первую очередь - это дороги во время строительства. (приложение3) Необходим также и доступ к энергосетям, заключающийся в наличии высоковольтных линий передач и обширной распределительной системы, обслуживающей большое число индивидуальных потребителей и промышленных предприятий. Большие ГЭС являются собственностью больших компаний или государственных предприятий, которые обычно и управляют ими. Для управления, администрирования и обслуживания таких ГЭС необходимы квалифицированные специалисты. Благодаря уменьшению удельных капитальных затрат с увеличением размера станции, а также из-за возможности повышения нагрузки с ростом числа потребителей, себестоимость произведённой электроэнергии относительно низка. Проблема заключается в пиковой нагрузке: большое число потребителей требуют максимального количества энергии в течение единого временного интервала, что приводит к большому неконтролируемому пиковому спросу, который должен быть удовлетворён за счет увеличения мощностей - дорогостоящих гидроаккумулирующих и резервных сооружений. С технической точки зрения, большая мощность ГЭС требует сложного технологического производства электромеханического оборудования, высокого уровня прогнозирования выполнимости, планирования и гражданского строительства. Период подготовки и реализации проекта достаточно продолжителен. Само собой разумеется, что этот процесс является довольно дорогостоящим, что, впрочем, оправдано большим масштабом объекта. Стоимость самого оборудования составляет относительно малую часть общей стоимости проекта. Крупномасштабные ГЭС требуют тщательного подхода и к вопросам экологии. Искусственные озёра могут полностью изменить ландшафт и затопить большие площади пахотной земли. Положительные аспекты: возможность управления потоком и создание новых зон отдыха (катание на лодках, ловля рыбы, кемпинги) хотя очевидно, что выгоды, получаемые от этого, не возрастают пропорционально увеличению размер ГЭС.

МАЛЫЕ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Во всем мире сегодня установлено несколько тысяч малых ГЭС. Современные гидроэнергетические технологии являются очень высокоразвитыми. За последние 40 лет были значительно усовершенствованы конструкции гидротурбин, в первую очередь с целью достижения более высокого уровня преобразования механической энергии в электрическую. Это особенно актуально для больших ГЭС, где повышение КПД гидротурбины на 1% может означать увеличение мощности на несколько МВт. Естественно, что такая сложная технология является достаточно дорогой. Для малых ГЭС технология больших ГЭС зачастую имеет уменьшенные размеры, что приводит к значительному повышению капитальных затрат на единицу установленной мощности. С другой стороны, воздействия на окружающую среду со стороны малой гидроэнергетики настолько незначительны, что зачастую о них говорят как о "не существующих". Малые ГЭС в большинстве случаев присоединены к энергосети. Большинство из них не имеют больших водохранилищ, то есть вода не собирается позади дамбы. Они вырабатывают электроэнергию, если естественный уровень воды в реке достаточен, но в периоды высыхания реки или падения скорости потока ниже определенной величины производство электроэнергии приостанавливается. Существует два основных типа малых (или микро) электростанций. При наличии аккумуляторной системы малая ГЭС вырабатывает электроэнергию, которая накапливается в аккумуляторах. В периоды низкого уровня потребления электроэнергии ее излишек также сохраняется в аккумуляторах. Если же природного водяного потока достаточно для бесперебойной выработки электроэнергии, малая ГЭС поставляет электроэнергию в сеть напрямую без накопления ее в аккумуляторах. Малая гидроэнергетика имеет особое значение для стран с развивающейся экономикой, в первую очередь, благодаря обеспечению принципа децентрализации. Выработанная электроэнергия обычно передаётся по низковольтной распределительной сети относительно небольшому количеству потребителей, расположенных поблизости от ГЭС. Малые ГЭС отличаются друг от друга в зависимости от используемого напора воды. Высоконапорные ГЭС типичны для горных областей; и вследствие того, что для выработки такого же количества электроэнергии им необходим меньший поток, они обычно дешевле других ГЭС. ГЭС малого напора типичны для равнин, им не нужен водопроводящий канал. На размер капитальных затрат, связанных со строительством малых ГЭС, влияет много факторов. Однако одним из наиболее существенных является выбор места и "привязка" к нему ГЭС. Наличие соответствующего напора и скорости потока воды - необходимые условия для производства электроэнергии.

Электростанция на реке Ла Ране имеет турбины, которые могут также работать в режиме насосов; таким образом, установка может функционировать как насосно-аккумулирующая станция для выравнивания нагрузки в сети. Вода, закачиваемая в резервуар в периоды низкого потребления электроэнергии, увеличивает напор на турбинах в периоды пиковой нагрузки в сети. Амплитуда приливов и отливов в устье реки Ла Ране достигает 13,4 м. Ширина дамбы составляет 760 м. При высоком уровне воды дамба "захватывает" воды Атлантики в заливе. При низком уровне вода течёт назад к морю. По пути вода проходит через 24 турбины, соединённые с генераторами установленной мощностью 240 МВт. Вырабатываемой электроэнергии достаточно для энергообеспечения города с населением в человек. ( приложение 4)

ЭНЕРГИЯ ВОЛН Волны образуются благодаря ветру, который дует вдоль океанской поверхности. Вся энергия концентрируется вблизи поверхности воды в слое не толще 50 метров. Благодаря этому, океанская волна является высоко сконцентрированным источником энергии, менее подверженным почасовым и ежедневным изменениям, чем другие возобновляемые источники энергии, например, ветер или солнце. Волны проходят большие расстояния и действуют как эффективный механизм "транспортировки энергии" на тысячи километров. Волны, возникающие во время шторма в центральной части Атлантического океана, доходят до побережья Европы без значительных энергетических потерь. Использование энергии волн может внести значительный вклад в мировое производство и обеспечение электроэнергией при условии, что будет разработан экономически обоснованный способ извлечения этой энергии. Максимальная концентрация энергии волн находится в областях, подверженных самым сильным ветрам, т. е. между широтами 40° и 60° на восточных побережьях океанов Северного и Южного полушарий. Волновые установки "извлекают" энергию волн и преобразовывают ее в электроэнергию. Эти установки бывают разных типов: пьезокварцевые преобразователи, входные сужающиеся каналы и морские грейферные ковши. В частности, морские грейферные ковши используют движение волны, заставляя воздух проходить между лопастями, расположенными по периметру круглой плавучей установки. Воздух проходит сквозь воздушные турбины, которые вращают вал, соединённый с электрическим генератором (приложение5). В настоящее время технология, основанная на использовании энергии приливов и отливов, как и технология, использующая энергию волн, находятся еще в стадии исследований. На сегодняшний день обе эти технологии пока не являются экономически целесообразными по сравнению с традиционными. Кроме того, ни одна из них не обеспечивает стабильное производство электроэнергии. Сегодня энергия волн успешно используется в маломасштабных установках, генерирующих электроэнергию для освещения маяков или навигационных бакенов.

СОЛНЦЕ - ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ

Сейчас известно, что древесина - это аккумулированная с помощью фотосинтеза солнечная энергия. При сгорании каждого килограмма сухой древесины выделяется околок Дж тепла, теплота сгорания бурого угля равна примернокДж/кг, антрацитакДж/кг, нефти и нефтепродуктовкДж/кг, а природного газакДж/кг. Самой высокой теплотой сгорания обладает водород кДж/кг.

Человечеству нужна энергия, причем потребности в ней увеличиваются с каждым годом. Вместе с тем запасы традиционных природных топлив (нефти, угля, газа и др.) конечны. Конечны также и запасы ядерного топлива - урана и тория, из которого можно получить в реакторах - размножителях плутоний. Практически неисчерпаемы запасы термоядерного топлива - водорода, однако управляемые термоядерные реакции пока не освоены, и неизвестно когда они будут использованы для промышленного получения энергии в чистом виде, т. е. без участия в этом процессе реакторов деления В связи с указанными проблемами становится все более необходимым использование нетрадиционных энергоресурсов, в первую очередь солнечной, ветровой, геотермальной энергии, наряду с внедрением технологий. Среди возобновляемых источников энергии солнечная радиация по масштабам ресурсов, экологической чистоте и повсеместной распространенности наиболее перспективна. Впервые на практическую возможность использования людьми огромной энергии Солнца указал основоположник теоретической космонавтики в 1912 году во второй части своей книги: "Исследования мировых пространств реактивными приборами". Он писал: "Реактивные приборы завоюют людям беспредельные пространства и дадут солнечную энергию, в два миллиарда раз большую, чем та, которую человечество имеет на Земле". У нас есть не только Земля, но и весь необъятный Космос, ресурсы которого разнообразны и неисчерпаемы. Оптимисты уверены - наступит время, когда все наиболее энергоемкие и вредные для людей и других живых организмов производства будут располагаться в космическом пространстве, а Земля - необычайно красивая и ухоженная "колыбель разума" - станет использоваться только для отдыха, лечения и некоторых безвредных для окружающей среды научных исследований.

Энергия солнца может быть использована как в земных условиях, так и в космосе. Наземные солнечные электростанции следует строить в районах расположенных как можно ближе к экватору с большим количеством солнечных дней. В настоящее время солнечную энергию экономически целесообразно использовать для горячего водоснабжения сезонных потребителей типа спортивно-оздоровительных учреждений, баз отдыха, дачных поселков, а также для обогрева открытых и закрытых плавательных бассейнов. В сухом жарком климате Средней Азии рационально использовать установки для охлаждения зданий и сооружений, сельскохозяйственных объектов, птичников, хранения скоропортящихся продуктов, медицинских препаратов и т. д.

Долгое время в нашей стране считалось, что солнечные установки целесообразны только в регионах с жарким климатом. Однако опыт использования их в таких местностях, как Аляска, Канада, Норвегия, Северная Америка, близких по климатическим условиям, показывает, что их можно применять и в нашей средней полосе, в частности в Московская обл." href="/text/category/moskovskaya_obl_/" rel="bookmark">Московской области. Московская область размещена на Восточно-Европейской равнине в зоне перехода от Смоленско-Московской возвышенности до Мещерской низменности. Переходное положение между разными природными районами создает в области значительные перепады высот на местности. Природно-климатических условий достаточно для круглогодичной эксплуатации энергии солнца и ветра Различные строительные приемы использования возобновляемых источников энергии как в реконструируемых зданиях, так и при новом строительстве дают такую возможность. Надо только правильно их использовать. В 60-70-х гг. в нашей стране предпринимались шаги по использованию нетрадиционных видов энергии. В это время появились также фотоэлектрические установки автономного электроснабжения, прекрасно зарекомендовавшие себя в космосе. К концу 80-х годов в эксплуатации находились солнечные установки горячего водоснабжения с общей площадью около 150 тыс. м2, а производство солнечных коллекторов доходило до 80 тыс. м2 в год. Экономические осложнения, возникшие в 90-е годы, затормозили развитие использования нетрадиционных видов энергии в нашей стране. Однако сегодня и в нашей стране НВИЭ получают все большее распространение. В России выпускаются солнечные тепловые коллекторы, фотоэлектрические преобразователи и модули на их основе, ветроэнергетические установки. Солнечная энергия используется в основном для производства низкопотенциального тепла, коммунально-бытового горячего водоснабжения и теплоснабжения. Общемировое производство низкопотенциального тепла в ближайшей перспективе составит 5*106 Гкал. Мировая суммарная мощность фотоэлектрических установок достигла 500 МВт. Создание законодательной базы использования НВИЭ в России стимулирует дальнейшее развитие. Законом «Об энергосбережении» 1996г. установлена правовая основа применения электрогенерирующих гелиоустановок. Государственной Думой и Советом Федерации принят закон «О государственной политике в сфере использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии». Ведется разработка федеральной программы по использованию НВИЭ. В России на сегодня есть все предпосылки для его дальнейшего развития. С выходом из кризисного экономического состояния станет возможным развитие промышленности, научно-технической базы и др. деятельности. Как и во всем мире, рост использования этих источников необратим. Экологическая ситуация требует от архитекторов и строителей нового мышления. Современная энергетика, ставшая сегодня традиционной, в зависимости от вида энергоносителя в целом, оказывает отрицательное воздействие на экологию окружающей среды. Хотя бы в области энергоснабжения зданий и городов необходимо принимать решения, позволяющие эффективно использовать возобновляемые ресурсы. Анализ публикаций, в частности материалов Iпtегпеt, показывает, что энергетические потребности в энергии во всем мире стимулируют разработку приемов по использованию возобновляемых источников энергии четвертого поколения. Такие приемы при меньших затратах на монтаж и оборудование позволяют эффективно эксплуатировать солнечные и ветровые установки для энергообеспечения зданий. Среди разработок можно выделить два главных направления, которые следует учитывать: разработка и применение солнечных энергоустановок с ограниченным уровнем мощности для энергоснабжения мелких автономных потребителей; создание солнечных энергетических станций ограниченной мощности в северных районах (типа Аляски). Это может радикально решить проблему использования возобновляемой энергии в масштабах, ощутимых в мировом энергобалансе. Как может осуществляться альтернативное использование солнечной энергии при эксплуатации зданий? Рассмотрим несколько основных положений: солнечная энергия — воздействие солнечной радиации на здание или воспринимающие поверхности. Для восприятия солнечной энергии необходима ориентация воспринимающих плоскостей на южную сторону, т. е. наиболее эффективно широтное расположение жилых домов; пассивное использование солнечной радиации возможно за счет восприятия и отдачи энергии при прямом улавливании лучей через остекленные проемы (окна, витражи, витрины) и косвенном, за счет массивов стен, крыш, ограждений зимних садов и т. п.; активное использование солнечной радиации возможно за счет восприятия и передачи энергии специальными устройствами — гелиоколлекторами, солнечными фотоэлектрическими установками наземного использования и т. п.; при реконструкции и новом строительстве с учетом строительных приемов использования энергии солнца и ветра возможно устройство энергоактивных пристроек к зданию, конструкции и форма которых искусственно создают изменение интенсивности ветровых потоков или воспринимающих плоскостей; возможно устройство энергоактивных пристроек к реконструируемому зданию, конструкции и формы которых предназначены для создания оптимальной направленности ветровых потоков и восприятия солнечной энергии (при интегрированном их использовании); устройство интегрированных систем, использующих энергию солнца в различном временном сочетании, позволяет с большей эффективностью использовать альтернативную энергию в организации жилой среды.

ВЫВОДЫ

Так в Германии реализован проект «Тысяча крыш», где 2250 домов было оборудовано фотогальваническими установками. В США принята программа «Миллион солнечных крыш», рассчитанная до 2010г. В настоящее время эксплуатируется более миллиона солнечных водонагревателей. Получают распространение «солнечные дома». Из альтернативных источников в настоящее время получают около 5% энергии. Это очень мало. Мы все должны экономить энергию. Сельские жители могут ее получать из биомассы (на основе гниения органического вещества ) и использовать для отопления своих домов. У нас в России есть такие люди - самородки, которые сами изобрели метод обогрева домов, используя энергию гниения навоза от своего подсобного хозяйства. Мы должны всё хорошее применять в своей деятельности, чтобы нам и следующим поколениям хорошо жилось. Литература:

, Экология «Биосфера и человечество» Москва. Издательский центр «Вентана - Граф» 2004.

Интернет и электронная энциклопедия « Энциклопедия Кирилла и Мефодия»

 

приложение №1 ИТАИПУ – крупнейшая в мире ГЭС приложение №2 приложение №3 приложение № 4 /приливная станция на реке Ла Ранс/ приложение №5