Программа элективного курса по теме "Мир ищет энергию" (9-й класс)

Бурное развитие промышленности и быстрый рост населения Земли вызывают увеличение потребности в топливе и рост его добычи. В последние годы термин «энергетический кризис» все чаще стал появляться в печати и обыденной речи. По прогнозам ученых, запасами угля человечество обеспечено на 100 – 150 лет, ресурсов нефти хватит на 40 – 50 лет. По этим причинам возникает необходимость поиска новых видов энергии: неисчерпаемых и экологически чистых.

До последнего времени возобновляемые источники энергии (ВИЭ) рассматривались лишь как энергоресурсы будущего, когда будут исчерпаны традиционные источники энергии или когда их добыча станет чрезвычайно дорогой и трудоемкой. Ситуацию резко изменило осознание человечеством экологических пределов роста. Быстрый экспоненциальный рост негативных антропогенных воздействий на окружающую среду ведет к существенному ухудшению среды обитания человека. Поддержание этой среды в нормальном состоянии становится одной из приоритетных целей жизнедеятельности общества.

Экономический потенциал возобновляемых источников энергии в мире в настоящее время оценивается в 20 млрд. тонн условного топлива в год, что в два раза превышает объем годовой добычи всех видов ископаемого топлива. И это обстоятельство указывает путь развития энергетики ближайшего будущего.

Основное преимущество возобновляемых источников энергии – неисчерпаемость и экологическая чистота. Их использование не изменяет энергетический баланс планеты. Эти качества и послужили причиной бурного развития возобновляемой энергетики за рубежом и весьма оптимистических прогнозов их развития в ближайшем десятилетии.

В связи с выше изложенным представляется актуальным познакомить учащихся с историей развития альтернативной энергетики, способами преобразования возобновляемой энергии в электрическую и тепловую и перспективами использования альтернативной энергии.

Материалы курса не только позволят выполнить требования к уровню подготовки выпускника школы в понимании единства природы как целого, овладении понятиями и представлениями современной физики, связанными с жизнедеятельностью человека, но и помогут развить творческие способности, осознанные мотивы учения, сознательно выбрать будущую профессию.

Курс предназначен для учащихся 9 классов общеобразовательных школ. Он рассчитан на 17 недельных часов.

Цели курса:

• Обучающие:
  • сформировать общее представление о способах преобразования возобновляемой энергии в электрическую и тепловую;
  • овладение конкретными знаниями энергосберегающих технологий, необходимыми для решения проблемы дефицита электроэнергии;
  • раскрыть перспективы использования альтернативной энергии.
• Развивающие:
  • развитие познавательных интересов, творческих способностей;
  • развитие способности приобретать знания, критически оценивать полученную информацию;
  • развить способность саморазвиваться, интеллектуально, нравственно самосовершенствоваться.
• Воспитательные:
  • повышение уровня сознания учащихся необходимости энергосбережения;
  • сознательное самоопределение будущей сферы деятельности.

Задачи курса:

• Исследовать вопрос об актуальности использования возобновляемых источников энергии.
• Изучить источники ресурсов альтернативной энергии и провести оценку их потенциала. Проанализировать причины ограничения масштабов использования ВИЭ.
• Изучить принципы преобразования возобновляемой энергии в электрическую и тепловую. Провести сравнение стоимостей электроэнергии, вырабатываемой различными электростанциями.
• Дать оценку достоинствам и недостаткам использования альтернативных энергоресурсов.
• Рассмотреть новые энергоэффективные технологии и предложить свои варианты решения проблемы энергосбережения.
• Исследовать пути развития энергоресурсов будущего.
• Собрать действующие модели установок, использующих солнечную, ветровую энергию и энергию воды.

Учебно-тематическое планирование

Предполагаемый результат:

• Сформировано общее представление об особенностях ВИЭ и перспективах развития энергоресурсов будущего.
• Учащиеся исследовали спектр источников ресурсов альтернативной энергии, увидели сложность процессов взаимодействия человека и окружающей природы, как проявление особой формы единства человека и природы.
• Для сознательного выбора будущей профессии учащиеся осознанно мотивируют процесс получения знаний, развивают свои творческие способности.

Содержание программы

1. Возобновляемые источники энергии. Классификация ВИЭ

Истощение потенциала традиционных энергоресурсов. Быстрый экспоненциальный рост негативных антропогенных воздействий на окружающую среду. Актуальность использования возобновляемых источников энергии. Основное преимущество возобновляемых источников энергии – неисчерпаемость и экологическая чистота. Виды возобновляемой энергии.

I. Традиционные ВИЭ (3 часа)

1.1. Гидравлическая энергия

Первые гидроэлектростанции. Принципы работы ГЭС. Преимущества гидроэнергетики. Себестоимость электроэнергии на российских ГЭС. Гидроэнергетика в мире: крупнейшие ГЭС в мире. Гидроэлектростанции России. Аварии и происшествия на ГЭС. Экологические изменения в широком развитии гидроэлектрических ресурсов.

1.2. Энергия биомассы

Биомасса — энергоносители растительного происхождения. Технологии выработки энергии. Наиболее оптимальный способ использования биомассы. Газификация и пиролиз. Экологические показатели. Стоимость тепла и электроэнергии. Перспективные области применения турбогенераторов, использующих биомассу.

1.3. Геотермальная энергия.

Геотермальная энергетика. Ресурсы: перспективные источники перегретых вод. Достоинства и недостатки. Геотермальная электроэнергетика в мире и России. Классификация геотермальных вод. Геотермальные электрические станции с комбинированным циклом для северных районов России. Перспективность использования альтернативной энергии и КПД установок.

II. Нетрадиционные ВИЭ (7 часов)

2.1. Солнечная энергия

Энергия поставляемая на нашу планету Солнцем. Преобразования энергии Солнца в электрическую. Солнечные электростанции. Солнечные батареи. Широкий спектр применения солнечных батарей. Энергопассивные дома. Город «Солнца». Ограничение масштабов использования фотоэлектрических солнечных батарей. Главная помеха для развития солнечной энергетики – земная атмосфера. Идея космической СЭС. Перспективы развития солнечной энергетики в России.

2.2. Ветровая энергия
Ветер служит человеку. Первые путешествия под парусом. Начало эры воздухоплавания. Воздушные винты в начале ХХ века. Преобразование энергии ветра. Ветровые двигатели: типы и принцип действия. Ветровые электростанции. Экономическое и экологическое «за» и «против» ветровой энергетики. Территории, где возможно развивать, и уже развита ветровая энергия; ветровая энергия с точки зрения экологии. Революционный ветрогенератор от самарского изобретателя.

2.3. Энергия морских волн и океанических течений. Энергия приливов.

Общие сведения об использовании энергии ветровых волн. Энергия поверхностных волн. Конструкция волновой электростанции. Гольфстрим – источник колоссальных энергетических ресурсов. Механическая мощность океанского течения. Подводная электростанция, собирающая энергию волн. Приливная энергия. Принципы работы ПЭС. Крупнейшая в мире приливная электростанция. Достоинства и недостатки волновой энергии. Потенциал и перспективы использования энергии волн.

2.4. Гидравлическая энергия, преобразуемая в используемый вид энергии малыми и микроГЭС

Малая гидроэнергетика. Источники ресурсов малой гидроэнергетики. Потенциал малой гидроэнергетики. Категории потенциала малой гидроэнергетики: валовой (расчетный) потенциал; технический потенциал; экономический потенциал. Малая гидроэнергетическая установка (МГЭУ). Малая гидроэлектростанция (МГЭС) и микрогидроэлектростанция (МкГЭС). Основные виды малых гидроэлектростанций (плотинная, русловая, приплотинная и др.). Достоинства и недостатки малой гидроэнергетики.

Практикум (3 часа)

Работа с технологическими наборами LEGO DACTA: 9680 («Энергия, работа, мощность») 9681 («Возобновляемые источники энергии»)

Знакомство на практике с возобновляемыми источниками энергии: солнечной энергией, энергией ветра и энергией потока воды и способами преобразования энергии, а также соотношениями между энергией, работой и мощностью. В основе всех предлагаемых заданий – фундаментальный закон природы, который гласит, что энергия не исчезает и возникает вновь, а только переходит из одного вида в другой. Сборка действующих моделей, использующих энергию солнца, ветра и воды.

III. Энергосбережение(4 часа)

3.1. Энергоэффективные технологии.

Когенерационные установки с многотопливными двигателями Стирлинга. Сверхпроводники – многообещающая возможность экономии энергии. Наночастицы снижают энергозатраты. Эффективное использование электроэнергии. Технологии двойного применения. Энергосберегающая бытовая техника. «Правильные» лампы.

3.2.Энергопассивный экодом.

Проблема энергосбережения при эксплуатации дома. Понятие энергопассивного жилища. Энергопассивный экодом – это жилище, где используются возобновляемые источники энергии и материалы, и не наносится вред природе и здоровью человека. Строительные материалы, теплообеспечение и утилизация отходов жизнедеятельности в энергоэффективном экодоме. Рисуем свой экодом, используя знания о ВИЭ и энергоэффективных технологиях.

3.3. Урок экономии электроэнергии.

Экономное применение освещения в домах и производственных помещениях. Приборы для экономии электроэнергии: термостаты, таймеры, цифровые счетчики. Сравнение характеристик лампы накаливания и энергосберегающих ламп. Практические советы экономии электроэнергии в быту.

3.4. Экономия электроэнергии в школе.

Анализ потребления и расхода электроэнергии в школе. Расчет времени окупаемости перехода на энергосберегающее освещение. Предложение по экономии электроэнергии в школе.

IV. Конференция «Возобновляемая энергетика – реальность и перспективы» (2 часа)

История развития видов альтернативной энергетики. Преобразование возобновляемой энергии в электрическую и тепловую. Стоимость электроэнергии, вырабатываемой различными электростанциями. Перспективность использования альтернативной энергии и КПД установок. Конференция проходит в форме ролевой игры в режиме круглого стола. Учащиеся выбирают роль (эколога, строителя АЭС, бизнесмена, представителя партии «Зеленых», и др. ) и отстаивают свою точку зрения.

Литература для учителя:

1. Воробьев В.Н., Смирнов Н.П. Общая океанология. Часть 2. Динамические процессы. – Санкт-Петербург: РГГМУ, 1999.
2. Баланчевадзе В.И., Барановский А.И. и др. Энергетика сегодня и завтра. – М.: Энергоатомиздат, 1990.
3. Громов Ф.Н., Горшков С.Г. Человек и океан. С.-П., ВМФ, 2006
4. Дж. Твайдел, А. Уэйр. Возобновляемые источники энергии, – М. Энергоатомиздат,1990.
5. Источники энергии. Факты, проблемы, решения. – М.: Наука и техника,1997.
6. Кириллин В.А. Энергетика. Главные проблемы: В вопросах и ответах. – М.: Знание, 1997.
7. Лаврус В.С. Источники энергии. – М., Наука и техника, 1997.
8. Нетрадиционные источники энергии. – М.: Знание, 1982.
9. Оптимистический взгляд на будущее энергетики мира /Под ред. Р. Кларка: Пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат, 1994
10. Сибикин М.Ю., Сибикин Ю.Д. Технология энергосбережения. – М. Профессиональное образование, 2006.
11. Энергетические ресурсы мира/ Под ред. П.С.Непорожнего, В.И. Попкова. – М.: Энергоатомиздат, 1995
12. Юдасин Л.С. Энергетика: проблемы и надежды. – М.: Просвещение, 2001.

Литература для учащихся:

• Атомная энергия. Энциклопедия для детей. – М.: СЛОВО, 1994.
• Аугусто Голдин. Океаны энергии. – Пер. с англ. Оксфорд-пресс.1983.
• Володин В.Ю., Хазановский П.Л. Энергия, век двадцать первый. Детская литература, 1989.
• Кондаков А.М. Альтернативные источники энергии – География в школе. 4/06 – М.: Педагогика. 2006.
• Кононов Ю.Д. Энергетика и экономика. Проблемы перехода к новым источникам энергии. – М.: Наука, 2004.
• Наука. Энциклопедия для детей. – М.: СЛОВО, 1994.
• Наноматериалы. Нанотехнологии. Наносистемная техника. Сборник статей под редакцией П.П. Мальцева, М., Техносфера, 2006.
• Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии, – М., Техносфера, 2006.
• Техника. Энциклопедия для детей. Том 18 – М.: АВАНТА+, 2006.
• Физика. Энциклопедия для детей. Том 16-17 – М.: АВАНТА+, 2005.

Интернет-источники:

www.energoinform.org – Концепция проекта Российской программы развития возобновляемых источников энергии – 2010
www.mte.gov.ru/search.htm – Министерство энергетики Российской Федерации.
www.energystrategy.ru – Основные положения энергетической стратегии России до 2020 года на сайте Института энергетической стратегии.
www.intersolar.ru – Центр солнечной энергии "Интерсоларцентр"
www.solar-battery.narod.ru – Сайт по солнечной энергетике. .
www.aris.ru/MSHP/DEMEH/EN_RES – Программа "Использование новых возобновляемых источников энергии и местных энергоресурсов в сельском хозяйстве на 2001-2015 годы" на сайте Департамента технической политики Министерства сельского хозяйства.
www.po.pssr.ru – Сайт АО "Свердловэнерго". Раздел "Технологии" дает описание и развитие различных источников возобновляемой энергии в мире и в России.
www.i-b.ru/viewarticle.phtml?id=343 – Страничка журнала "Business online" с ссылками на англоязычные сайты по темам: поршневые машины, микротурбины, машины Стирлинга, энергетические ячейки, солнечные батареи, ветровые турбины.