Модуль 23. Методика преподавания и лабораторный практикум по физическим основам энергоэффективности и энергосбережения (стр. 2 )

- посчитайте количество разных электрических приборов и внесите в таблицу;

- внесите в таблицу мощность каждого прибора. Она указана в его паспорте или на самом приборе, например, на электрических лампочках;

- внесите в таблицу время работы за сутки каждого прибора.

Таблица 5.2.

№ п/п	Наименование приборов	Количество, шт.	Суммарная мощность, кВт	Время работы за сутки, час	Электро- энергия, израсхо - дованная за сутки, кВт•ч
1.	Электрические лампы
2.	Холодильники
3.	Электрические печи
4.	Стиральные машины
5.	Телевизоры
6.	Магнитофоны
7.	Компьютеры
8.	Электрические чайники
9.	Утюги
10.	Другое оборудование
Суммарное потребление электрической энергии за сутки

5.3. Рассчитайте израсходованную энергию для каждого вида приборов по формуле:

Энергия =мощность * время работы.

И внесите в табл. 5.2.

5.4. Рассчитайте суммарное потребление электрической энергии за сутки по формулам, приведенным ниже, и внесите в табл. 5.2.

При определении массы израсходованного топлива и объема выделившегося при этом углекислого газа используйте следующие формулы:

Для нефти и угля -

Для природного газа -

5.5. Рассчитайте, сколько угля, нефти, газа нужно сжечь для получения израсходованной вашей семьей за сутки электрической энергии, используя данные таблицы 5.3, и внесите в таблицу 5.4.

Таблица 5.3.

№ п. п	Наименование вида топлива	Удельная теплота сгорания, кВт•ч/кг, кВт•ч/м3(для газа)	Удельное количество углекислого газа, м3/кг, м3/м3 (для газа)
1	Уголь	8, 1	1, 7
2	Нефть	12, 8	1, 5
3	Природный газ	11, 4	1, 2

5.6. Рассчитайте, сколько углекислого газа выделится при этом. Запишите полученные данные в таблицу.

Таблица 5.4.

№ п. п	Наименование вида топлива	Количество топлива, которое нужно сжечь для получения израсходованной вашей семьей за сутки электрической энергии, кВт*ч	Количество углекислого газа, которое выделится при этом, м3
1.	Уголь
2.	Нефть
3.	Природный газ

5.7. Запишите выводы.

Контрольные вопросы

1. Как мы можем экономить энергию?

2. Почему мы должны использовать энергию более эффективно?

3. Опишите, что конкретно вы делаете сейчас для экономии энергии?

4. Перечислите причины, по которым необходимо сберегать энергию?

5. Как рассчитать суммарное потребление электрической энергии за сутки?

Литература

1. Энергосбережение. ШПИРЭ. Школьная программа использования ресурсов и энергии: учебное пособие для средней школы: Санкт - Петербург. 2004. URL:  http://esco-ecosys. *****/2007_8/art179-end. htm.

2. , Щелоков проблемы использования топлива. Екатеринбург; Екатеринбург: Уралэнерго-Пресс. 2004 г. -109 с.

3. , Щелоков для начинающих. Екатеринбург: Уралэнерго-Пресс. 2004 гс.

4. , Щелоков для всех. Екатеринбург: Энерго-Пресс. 2003 гс

5. , , Лисиенко энергоэффективных технологий и техники (введение в хрестоматию энергосбережения для юношества) - Екатеринбург: Уралэнерго-Пресс. 2004 гс.

6. Основы энергосбережения: Учеб. пособие / , , .2-е изд., стереотип. – Мн.: БГЭУ, 2002. – 198 с.

7. , . Энергосбережение.: Издательство Ассоциации строительных вузов. 2005 г. – 157 с.

Лабораторная работа № 6. Нагревание воды и отопление домов (2часа)

Краткая теория

Для нагревания воды и отопления домов используют открытые резервуары (рис. 6.1), затем стали создавать изолированные, в которых температура повышалась в несколько раз и вакуумные, где потери тепла полностью отсутствуют.

Рис. 6.1.

Порядок выполнения работы

Задание 1

6.1. Постройте макеты резервуаров, которые можно самим сделать у себя дома.

Самый простой способ - черный бак или бочка, расположенная на солнце (рис. 6.2.). Таким образом, у Вас нагреется вода, например, для душа, в ясный летний день.

Если подобный бак Вы поместите в ящик со стеклянной крышкой и хорошо изолируете (рис. 6.3), затем расположите на южную сторону, то тогда Вы сможете принимать душ или мыть посуду даже в более прохладный и облачный день.

Еще одна более усовершенствованная система для нагревания воды, которую Вы сами сможете сделать (рис. 6.4.). В данном случае эффективность повышается из-за того, что меньший объем теплоносителя (здесь это вода) циркулирует через площадь, поглощающую большее количество солнечного излучения, а потери тепла сокращаются за счет хорошей изоляции.

Рис. 6.2.	Рис. 6.3.	Рис. 6.4.

Задание 2

Измерение расхода горячей воды и расчет энергии, необходимой для ее нагрева

Российские нормы, определяющие уровень потребления горячей воды, очень высок по сравнению с другими странами.

Строительной нормой при планировании системы подачи горячей воды в квартиру является уровень потребления 7,5 л/м2 воды, имеющей температуру 55 °С. Предполагается, что половина воды идет на кухню, а другая половина в ванную комнату.

6.2. Измерьте секундомером, сколько секунд понадобится для того, чтобы набрать 10 литров воды при нормальном использовании?

6.3. Рассчитайте расход воды в литрах в минуту.

Пример: Потребовалось 40 сек. 40сек.: 60=0,66 мин.

10 л./0,66 мин.=15,15 литров в минуту (л./мин.)

6.4. Занесите в таблицу 6.1 данные о расходе горячей воды в вашей семье.

6.5. Измерьте, сколько минут в неделю вы используете кран.

6.6. Измерьте температуру холодной воды до нагревания.

6.7. Измерьте температуру горячей воды после нагревания.

Полученные данные внесите в табл. 6.1.

Таблица 6.1.

Измерение расхода горячей воды

		Душ	Кран 1	Кран 2
1	Сколько секунд понадобится для того, чтобы набрать 10 литров воды при нормальном использовании?	с	с	с
2	Расчет в литрах в минуту Пример: Потребовалось 40 сек. 40сек.: 60=0,66 мин. 10 л./0,66 мин.=15,15 литров в минуту (л./мин.)	л/мин.	л/мин	л/мин.
3	Сколько минут в неделю вы используете кран?	мин./нед.	мин./нед.	мин./нед.
4	Сколько литров воды вы используете в течении недели?	л./нед.	л./нед.	л./нед.
5	Температура воды до нагревания? (Измерьте температуру холодной воды.)	°C	°C	°C
6	Температура используемой вами горячей воды?	°C	°C	°C

6.8. Рассчитайте экономию энергии. Для этого подсчитайте предполагаемый расход горячей воды до и после введения мер по экономии воды (изменение привычек, модернизация оборудования) [1]/

Результаты экономии занесите в таблицу 6.2.

Таблица 6.2.

	Предполагаемое потребление горячей воды до введения мер по экономии	л/нед.	Высчитайте предполагаемое обычное потребление воды в вашей семье. После обсуждения мер по сбережению постарайтесь выполнять некоторые из них и подсчитайте результаты экономии.
	Предполагаемое потребление горячей воды после введения мер по экономии	л/нед.
	Количество сбереженной воды	л/нед.
	Пример
	Разница температур в °С между холодной и горячей водой	°С	37°С горячая - 7°С холодная = 30°С разница
	Количество сбереженной воды	л	150 л
	Экономия энергии в неделю в кВт/ч. (литр * увеличение температуры (°C) * 0,0011)	кВт/ч	150 л * 30 °C * 0,0011 = 4,90 кВт/ч

6.9. Запишите выводы.

Контрольные вопросы

1. Как измерить расход горячей воды?

2. Как рассчитать экономию энергии после введения мер по экономии горячей воды?

3. Перечислите меры по экономии горячей воды.

4. Перечислите системы для нагревания воды.

Литература

1. Энергосбережение. ШПИРЭ. Школьная программа использования ресурсов и энергии: учебное пособие для средней школы: Санкт - Петербург. 2004. URL:  http://esco-ecosys. *****/2007_8/art179-end. htm.

2. , Щелоков проблемы использования топлива. Екатеринбург; Екатеринбург: Уралэнерго-Пресс. 2004 г. -109 с.

3. , Щелоков для начинающих. Екатеринбург: Уралэнерго-Пресс. 2004 гс.

4. , Щелоков для всех. Екатеринбург: Энерго-Пресс. 2003 гс

5. , , Лисиенко энергоэффективных технологий и техники (введение в хрестоматию энергосбережения для юношества) - Екатеринбург: Уралэнерго-Пресс. 2004 гс.

6. Основы энергосбережения: Учеб. пособие / , , .2-е изд., стереотип. – Мн.: БГЭУ, 2002. – 198 с.

7. , . Энергосбережение.: Издательство Ассоциации строительных вузов. 2005 г. – 157 с.

Лабораторная работа №7. Исследование фотоэлектрического преобразования энергии с помощью солнечной батареи (2часа)

Цель работы: изучить принцип преобразования солнечной энергии в электрическую; исследовать основные технические характеристики фото-электрической батареи.

Краткая теория

Солнце является основным источником энергии, обеспечивающим существование жизни на Земле. Вследствие реакций ядерного синтеза в активном ядре Солнца достигаются температуры до 107 К. При этом поверхность Солнца имеет температуру около 6000 К. Электромагнитным излучением солнечная энергия передается в космическом пространстве и достигает поверхности Земли. Вся поверхность Земли получает от Солнца мощность около 1,2×1017 Вт. Это эквивалентно тому, что менее одного часа получения этой энергии достаточно, чтобы удовлетворить энергетические нужды всего населения Земного шара в течение года. Максимальная плотность потока солнечного излучения, приходящего на Землю, составляет примерно, 1 кВт/м2.. Для населенных районов в зависимости от места, времени суток и погоды потоки солнечной энергии меняются от 3 до 30 МДж/м2 в день.

В среднем для создания комфортных условий жизни требуется примерно 2 кВт энергетической мощности на человека или примерно 170 МДж энергии в день. Если принять эффективность преобразования солнечной энергии в удобную для потребления форму 10 % и поток солнечной энергии 17 МДж/м2 в день, то требуемую для одного человека энергию можно получить со 100 м2 площади земной поверхности. При средней плотности населения в городах 500 человек на 1 км2 на одного человека приходится 2000 м2 земной поверхности. Таким образом, достаточно всего 5 % этой площади, чтобы за счет снимаемой с нее солнечной энергии удовлетворить энергетические потребности человека.

Для характеристики солнечного излучения используются следующие основные величины.

Поток излучения - величина, равная энергии, переносимой электромагнитными волнами за одну секунду через произвольную поверхность. Единица измерения потока излучения - Дж/с=Вт.

Плотность потока излучения (энергетическая освещенность) - величина, равная отношению потока излучения к площади равномерно облучаемой им поверхности. Единица измерения плотности потока излучения - Вт/м2.

Плотность потока излучения от Солнца, падающего на перпендикулярную ему площадку вне земной атмосферы, называется солнечной константой S, которая равна 1367 Вт/м2.

Световой поток. Световым потоком называется поток излучения, оцениваемый по его воздействию на человеческий глаз. Человеческий глаз неодинаково чувствителен к потокам света с различными длинами волн. Обычно при дневном освещении глаз наиболее чувствителен к свету с длиной волны 555 нм. Поэтому одинаковые по мощности потоки излучения, но разных длин волн вызывают разные световые ощущения у человека. Единицей измерения светового потока с точки зрения восприятия его человеческим глазом (яркости) является люмен (лм). Световой поток в 1 лм белого света равен 4,6х10-3 Вт (или 1Вт=217 лм).

Освещенность - величина, равная отношению светового потока, падающего на поверхность, к площади этой поверхности. Освещенность измеряется в люксах (лк). 1 лк = 1 лм/м2. Для белого света 1 лк = 4,6×10-3 Вт/м2 (или 1 Вт/м2=217 лк).

Приборы, предназначенные для измерения освещенности, называются люксметрами.

Освещенность, создаваемая различными источниками

Источники	Освещенность, лк	Освещенность, Вт/м2
Солнечный свет в полдень (средние широты)	100000	460
Солнечный свет зимой	10000	46
Облачное небо летом		23-92
Облачное небо зимой		4,6-9,2
Рассеянный свет в светлой комнате (вблизи окна)	100	0,46
Светильники, создающие необхо-димую для чтения освещенность	30-50	0,14-0,23
Полная Луна, облучающая поверхность Земли	0,2	0,92×10-3

В связи с большим потенциалом солнечной энергии чрезвычайно заманчивым является максимально возможное непосредственное использование ее для нужд людей.

При этом самым оптимальным представляется прямое преобразование солнечной энергии в наиболее распространенную в использовании электрическую энергию.

Это становится возможным при использовании такого физического явления как фотоэффект.

Фотоэффектом называются электрические явления, происходящие при освещении вещества светом, а именно: выход электронов из металлов (фотоэлектрическая эмиссия или внешний фотоэффект), перемещение зарядов через границу раздела полупроводников с различными типами проводимости (p-n) (вентильный фотоэффект), изменение электрической проводимости (фотопроводимость).

При освещении границы раздела полупроводников с различными типами проводимости (p-n) между ними устанавливается разность потенциалов (фотоЭДС). Это явление называется вентильным фотоэффектом, и на его использовании основано создание фотоэлектрических преобразователей энергии (солнечных элементов и батарей).

Наиболее распространенным полупроводником, используемым для создания солнечных элементов, является кремний.

Солнечные элементы характеризуются коэффициентом преобразования солнечной энергии в электрическую, который представляет собой отношение падающего на элемент потока излучения к максимальной мощности вырабатываемой им электрической энергии. Кремниевые солнечные элементы имеют коэффициент преобразования 10-15 % (т. е. при освещенности 1 кВт/м2 вырабатывают электрическую мощность 1-1,5 Вт) при создаваемой разности потенциалов около 1 В.

Типичная структура солнечного элемента с p-n переходом изображена на рис. 7.1 и включает в себя: 1 - слой полупроводника (толщиной 0,2-1,0 мкм) с n-про-водимостью; 2 - слой полупроводника (толщиной 250-400 мкм) с p-проводи-мостью; 3 - добавочный потенциальный барьер (толщиной 0,2 мкм); 4 - металлический контакт с тыльной стороны; 5 - соединительный проводник с лицевой поверхностью предыдущего элемента; 6 - противоотражательное покрытие; 7 - лицевой контакт; 8 - соединительный проводник к тыльному контакту следующего элемента. Характерный размер солнечного элемента 10 см.