«Экологичная энергия»

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение «Лицей №2»

«Экологичная энергия»

Выполнил:

Шалаев Даниил  ученик 4А класса

Руководитель:

Барнаул

2015

Актуальность:

За последние 100 лет потребление электрической энергии увеличилось в 10 раз. За это время человечество выработало больше половины природных запасов топливного сырья (70% запасов нефти, 60% запасов  газа, 30% запасов угля). Увеличение производства электрической энергии равно увеличению загрязнения окружающей среды. Недаром основными государственными программами в нашей стране являются энергосбережение и экологическая безопасность.

Цель работы:

Уточнить и расширить  знания об источниках электрической энергии. Определить экологически безопасные источники электрической энергии. Спрогнозировать источники электрической энергии будущего.

Задачи:

Проанализировать информацию об электрической энергии. Определить источники электрической энергии. Определить наиболее экологичные источники электрической энергии. Собрать модели источников электрической энергии. Выбрать наиболее оптимальный источник электрической энергии.

Методы работы

Визуальное наблюдение. Фотографирование. Сбор информации. Ведение записей. Моделирование. Тестирование моделей. Исследование. Обобщение.

Объект исследования:

Источники электрической энергии.

Гипотеза:

Развитие альтернативных источников электрической энергии связано не только с ограниченным запасом топлива для традиционных источников электрической энергии, но и с вредным влиянием традиционных источников электрической энергии на окружающую среду. Ведь мы хотим жить не только в технологически развитом мире, но и на экологически чистой планете.

ВВЕДЕНИЕ

За последние 130 лет (с момента строительства первых электростанций) ученые всего мира продолжают искать новые источники электрической энергии. С развитием технического прогресса, растет и потребление электрической энергии, ведь трудно сейчас представить любой дом без освещения, телевизора, холодильника, стиральной машины. Но электрическая энергия должна не только приносить пользу людям, но и также не оказывать вредного влияния на окружающую среду. Вот такая непростая задача стоит перед учеными будущего.

ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Источник электрической энергии – это устройство, которое преобразует различные виды энергии в электрическую энергию. Выделяют два основных вида источников электрической энергии:

1. Химические источники электроэнергии преобразуют энергию химических процессов в электрическую. К таким источникам относятся всем известные батарейки и аккумуляторы,

а также солнечные электростанции.

СЭС (Республика Алтай)

2. Механические источники электроэнергии преобразуют механическую энергию в электрическую с помощью специального механизма – генератора, который приводится в движение:

- силой воды – гидроэлектростанции

Чемальская ГЭС (Республика Алтай)

и приливные электростанции;

Кислогубская ПЭС (Мурманск)

- силой ветра – ветроэлектростанции;

ВЭС (Алтайский заповедник)

- силой нагретого газа – газотурбинные электростанции;

ГТЭС «Сибэнергомаш» (Барнаул)

- силой нагретого пара – тепловые электростанции (пар получается от нагрева воды при сжигании топливных ресурсов – уголь, нефтепродукты, газ),

Барнаульская ТЭЦ-2

атомные электростанции (пар получается от нагрева воды при ядерной реакции),

Омская АЭС

геотермальные электростанции (пар поступает из недр земли по специальным скважинам);

ГеоТЭС (Камчатский край)

- механической силой – бензо - и дизель-генераторные электростанции.

По количеству вырабатываемой электроэнергии в России источники электрической энергии распределяются следующим образом:

Таблица 1

№ п/п	Источник электрической энергии	Доля электро-энергии, %
1	Тепловые электростанции	66
2	Гидроэлектростанции	20
3	Атомные электростанции	10
4	Газотурбинные электростанции	4
5	Ветроэлектростанции	Менее 1
6	Геотермальные электростанции	Менее 1
7	Солнечные электростанции	Менее 1
8	Приливные электростанции	Менее 1
9	Бензо - и дизель-генераторные электростанции	Используется как резервный источник электроэнергии
10	Батарейки и аккумуляторы	Используется как резервный источник электроэнергии

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

Проанализируем влияние источников электрической энергии, указанных в таблице 1, на окружающую среду. Данные приведены в таблице 2.

Таблица 2

Источник электрической энергии	Влияние на атмосферу	Влияние на почву	Влияние на воду	Влияние на флору, фауну и человека	Исчерпание топливных ресурсов	Утили-зация опасных отходов	Возобно-вляемые источники энергии	Опасные последствия аварий
Тепловые электростанции	Дым	Зола, шлак, угольная пыль, мазут	Нет	Нет	Уголь, нефть, газ	Зола и шлак	Нет	Нет
Гидро-электростанции	Нет	Нет	Нет	Мешает миграции рыб, затопление лугов и лесов при строительстве плотин	Нет	Нет	Да	Затопление территорий
Атомные электростанции	Нет	Нет	Нет	Радиация	Радиак-тивное топливо	Радиак-тивные отходы	Нет	Выброс радиации
Газотурбинные электростанции	Выхлоп-ные газы	Нет	Нет	Нет	Газ	Нет	Нет	Нет
Ветро-электростанции	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет	Да	Нет
Геотермальные электростанции	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет	Да	Нет
Солнечные электростанции	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет	Да	Нет
Приливные электростанции	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет	Да	Нет
Бензо - и дизель-генераторные электростанции	Выхлоп-ные газы	Пролив нефте-продуктов	Нет	Шум	Нефть	Нет	Нет	Нет
Батарейки и аккумуляторы	Нет	Нет	Нет	Нет	Хими-ческие вещества	Кислота, щёлочь	Нет	Нет

ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И ИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

На основании данных таблицы 2, самыми экологически безопасными источниками электрической энергии являются:

- Ветроэлектростанции;

- Геотермальные электростанции;

- Солнечные электростанции;

- Приливные электростанции.

Но если данные электростанции не оказывают плохого влияния на окружающую среду, то почему использование данных электростанций менее 1%. Постараемся в этом разобраться.

Ветроэлектростанции – преобразуют энергию ветра в электрическую.

Собрав информацию в сети Интернет, я выяснил, что для работы ветрогенератора необходимая скорость ветра должна составлять 2 м/с и более. Согласно статистике скорости ветра в г. Барнауле, количество дней со скоростью ветра 2 м/с и более в 2014 году – 176 дней. Из этого следует, что эффективность ветроэлектростанции составляет 48%.

Солнечные электростанции – преобразуют энергию солнечного света в электрическую.

В связи с тем, что день всегда сменяется ночью, то ночью данная электростанция не будет вырабатывать электрическую энергию. Учитывая, что в год продолжительность дня и ночи составляют по 50%, то эффективность солнечной электростанции составляет 50%.

Приливная электростанция – преобразует энергию морских приливов и отливов в электрическую.

Два раза в сутки Солнце и Луна силой тяготения заставляют морскую воду то наступать на берег, то отходить назад. Двигаясь то к берегу, то от берега вода заставляет крутиться лопасти турбины, которая вырабатывает электрическую энергию. Разность уровней воды при приливе и отливе для нормальной работы электростанции должна составлять 4 м и более, поэтому мест для строительства станций  не так много. Средняя продолжительность прилива или отлива составляет 4 часа. Исходя из этого, продолжительность работы приливной электростанции в сутки составляет: 2 прилива по 4 часа + 2 отлива по 4 часа = 16 часов. Таким образом эффективность приливной электростанции составляет 66%.

Геотермальные электростанции – преобразуют тепловую энергию земного ядра в электрическую.

Принцип работы геотермальной электростанции таков. Температура земного ядра составляет около 6500 градусов. Если пробурить скважину и закачать в неё воду, то вода, нагреваясь до состояния пара, будет подниматься по второй скважине и заставит вращаться парогенератор, который сможет вырабатывать электрическую энергию. Принимая во внимание информацию о том, что каждые 36 м глубины скважины нагревают воду на 1 градус, то глубина скважины составит более 5 км. Устройство таких глубоких скважин довольно затратно, поэтому геотермальные электростанции пока строят в районах действующих вулканов, где глубина скважин составляет 500-1000 м. Геотермальные электростанции не зависят от погодных условий, времени суток, поэтому могут постоянно вырабатывать электрическую энергию. Однако до 20% вырабатываемой электроэнергии затрачивается на работу насосов, которые закачивают воду под землю, поэтому эффективность геотермальных электростанций составляет 80%.

ОПТИМАЛЬНЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ДОМА

Какой же источник электрической энергии применим для обеспечения электроэнергией дома в нашем регионе.

Как уже было определено ранее, самыми экологически безопасными источниками электрической энергии являются: ветроэлектростанции, геотермальные электростанции, солнечные электростанции и приливные электростанции. Исходя из географического расположения нашего региона (отсутствие моря и близости вулканов) наиболее подходящими являются солнечные и ветроэлектростанции. Однако эффективность данных электростанций мала. Одним из выходов из данной ситуации является их совместное использование в совокупности с накопителями электрической энергии – аккумуляторами. Именно такой способ используется на дорогах нашего региона для освещения пешеходных переходов (по Змеиногорскому тракту).

ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ БУДУЩЕГО

Попробуем заглянуть в будущее и предположить источники электрической энергии будущего.

Тепловые электростанции в недалеком будущем вместо традиционного топлива (уголь, нефть, газ) будут использовать мусор. Хоть это и не уменьшит выбросов в атмосферу, но позволит сократить свалки мусора, которые растут с каждым годом. Сплавленная зола может использоваться в качестве наполнителя для бетона. В Москве уже работают три таких теплоэлектростанции.

Гидроэлектростанции будущего:

- использование морских и океанских течений;

- строительство миниГЭС на горных реках, где рельеф местности позволяет избежать сооружения плотин и затопления больших территорий;

- использование энергии волн, качание секций диаметром по 4,5 м на волнах приводит в движение поршни гидравлических насосов, которые нагнетают воду на гидравлические моторы, моторы вращают электрические генераторы, производя электроэнергию.

Атомные электростанции в будущем могут использовать вместо опасного ядерного топлива дейтерий, который можно получить из воды и его использование не оставляет опасных отходов.

Газотурбинные электростанции вместо использования природного газа перейдут на биогаз. Биогаз получают путем брожения биомассы. В качестве биомассы используются свалочные отходы, отходы животноводства и сельского хозяйства, некоторые растения.

Ветроэлектростанции будущего не будут зависеть от наличия ветра, теплый воздух значительно легче окружающего и поднимается вверх, используя данный эффект, можно построить ветрогенераторную установку. Она представляет собой сужающуюся в верхней части трубу из легких полимерных материалов с высотой порядка 50-80 метров. В нижней части установки имеется площадка, покрытая остеклением, своего рода «парник», воздух, находящийся в нижней части трубы в этом «парнике» нагревается и устремляется вверх по трубе, вращая винт генератора, расположенного в верхней части трубы. Данные установки эффективны в пустынях.

Ещё один вид гироветроэлектростанции изобрели ученые из Голландии. Из небольшой сетчатой трубы (отрицательного электрода) распыляются положительно заряженные капельки воды, которые подхватываются ветром и толкаются в направлении положительного сетчатого электрода, в результате вырабатывается электричество.

Геотермальные электростанции перейдут на использование вместо воды, для получения пара, другие жидкости, способные превращаться в пар при более низких температурах, что позволит строить электростанции не только в районах вулканической активности, а также бурить не очень глубокие скважины.

Солнечные электростанции в будущем переместятся в космос, чтобы постоянно находится под солнечным светом. Япония планирует построить к 2030 году солнечную электростанцию в космосе, передавать энергию на Землю планируется при помощи микроволн или лазеров.

Приливные электростанции в недалеком будущем можно будет построить на любом побережье. Над проектом динамической приливной электростанции работают ученые Китая. Технология динамических приливных электростанций требует возведения в море плотины достаточно длинной для того, чтобы перепад  уровней воды между различными сторонами плотины стал 20 – 30 см. В отличие от традиционных приливных электростанций, динамические станции смогут работать в местах слабых приливных течений.

Бензо - и дизельгенераторные электростанции вместо бензина и дизельного топлива будут работать на:

- биотопливе, полученном из растительных масел и животных жиров, подобный завод планируют построить в селе Ребриха Алтайского края, биотопливо будет производиться из пшеницы;

- на сжатом воздухе, первый пневмодвигатель был построен ещё 200 лет назад, однако мощность двигателя пока не высока и они не нашли массового применения.

Батарейки и аккумуляторы вместо химически опасных веществ будут содержать водород, взаимодействуя с кислородом воздуха будет вырабатываться электроэнергия, а отходами станет обычная вода, которая в дальнейшем может использоваться для производства водорода.

ВЫВОДЫ

Задача современной науки сегодня – это экологически чистые источники электрической энергии. Существуют различные способы решения этой задачи – в первую очередь это улучшение экологических характеристик традиционных источников электроэнергии. Второй путь – освоение нетрадиционных источников энергии на основе неисследованных, пока еще загадочных явлений, таких как смерчи, шаровые  молнии. У природы есть еще не мало подобных явлений, что дает современной науке множество направлений для поиска новых источников экологически чистой электрической энергии.

ИСТОЧНИКИ: Возобновляемая энергетика неисчерпаема и необходима.  Журнал «Энергия единой сети», август-сентябрь 2012. Википедия – свободная энциклопедия [электронный ресурс]:  www. ru. wikipedia. org Альтернативная энергетика [электронный ресурс]: www. Энциклопедия Кругосвет. Наука и техника [электронный ресурс]: www. krugosvet. ru Экология [электронный ресурс]: http://www. ecology. md/section