Альтернативная энергетика – будущее человечества

Эпиграф:
Возобновляемые источники энергии – это не альтернатива существующей энергетике, а ее будущее, и вопрос лишь в том, когда это будущее наступит, и что мы можем сделать, чтобы его приблизить.

Цели урока:

1. Учебные: актуализировать и углубить знания учащихся о физических основах производства электроэнергии на различных видах электростанций, а также, их преимущества и недостатки в экологическом отношении. Привитие интереса к физике и экологии.
2. Воспитательные: воспитывать умение слушать товарища, формировать умение работать с дополнительной литературой. Формирование экологического сознания учащихся. Формирование у старшеклассников коммуникативных умений (публично выступать по теме, вести диалог, участвовать в дискуссии, активно слушать).
3. Развивающие: с помощью опережающего задания активизировать поисково-познавательную деятельность учащихся. Расширение и углубление материала, ознакомление с новыми сведениями за счёт обращения к различным источникам.

Оснащенность урока: проектор, компьютер, географическая карта России, таблица 1 (по количеству детей в классе), словарь терминов(на доске)(альбедо, инсоляция, магма, градиент)

Тип урока: урок опережающего изучения нового материала. Деловая игра.

Работа класса: Заполнение таблицы по ходу получения информации. На географической карте флажками отмечаются места расположения и возможного размещения станций.

Ход урока

Учитель физики. Одним из основных законов природы является закон сохранения энергии. На протяжении всего курса физики вы изучаете вопросы, связанные с подтверждением универсальности этого закона, его проявлением в различных природных процессах. Жалок был бы человек, не имеющий в своем распоряжении всевозможных энергетических источников, помогающих ему жить. Главный вопрос – сколько энергии нужно человечеству? Сколько энергии нужно произвести, чтобы жить в теплых квартирах, чтобы создавать необходимые человеку изделия, пользоваться транспортом, чтобы развлекаться? Однако, не менее важными вопросами являются те, в ответах на которые мы узнаём о способах её получения, о проблемах и перспективах, возникающих при строительстве и эксплуатации электростанций различного типа, экономических затратах. Уровень производства и потребления энергии – один из важнейших показателей развития общества. Ведущая роль принадлежит электроэнергии. Это диктуется её преимуществами перед другими видами энергии. Электроэнергия не наносит вреда окружающей среде. Это та самая энергия, без которой не было бы современного общества, привычных удобств, современной цивилизации. Каким же будет облик энергетики XXI века? Сделаем шаг в направлении познания альтернативных источников энергии.

Учитель биологии. Экологические проблемы производства электроэнергии носят глобальный характер. Всеобщее и все возрастающее внимание у нас в стране и во всем мире к проблемам экологии неслучайно. Так как острота этих проблем человечеством еще не осознана. Вы должны понимать, что законы природы познаются не только с целью их применения на благо людей, но и для того, чтобы человек не нарушал гармонии окружающего его мира. Каждый человек должен понимать важность правильного поведения в природной среде, уметь предвидеть и оценить последствия своей деятельности. Затянувшееся потребительское отношение человека к природе привело к истощению природных ресурсов, а вмешательство человека в природные процессы в результате хозяйственной деятельности нарушают равновесие в природе, вызывают такие экологические сдвиги, которые могут оказываться необратимыми. Поэтому данная тема является сегодня особенно актуальной. В последнее время интерес к проблеме использования солнечной энергии резко возрос. Над этим вопросом работала группа, которая изучала данный источник энергии и предоставляет вам результаты своих исследований. А вы по ходу получения информации заполняете таблицу.

Таблица 1.

Группа № 1 “Солнечные электростанции”. Приложение 1.

Ученый. Бесплатная энергия XXI века! Вы наверняка обращали внимание, что обычный калькулятор работает при минимальной освещённости любой лампой. Сравнивая размер солнечного элемента калькулятора и солнечной батареи, мощность излучения (солнце/лампа) можно представить производительность! И это не учитывая, спектр солнечного света, который значительно шире излучения лампы. Здесь и инфракрасный (который “жарит” на пляже) и ультрафиолетовый (дающий загар). Этот пример наглядно показывает как солнечная батарея, от рассвета до заката, “молча” делает своё дело. Хотя КПД, в пасмурную погоду, естественно ниже, чем в солнечную. электроэнергия у Вас круглосуточно, а не только при работе генератора, заведённого с сорок восьмой попытки. Установка и подключение по силам старшекласснику. Один солнечный модуль окупает бензогенератор максимум за полтора года и обеспечивает необходимое освещение, работу небольшого телевизора, водяного насоса, триммера.

Инженер. Одной из наиболее перспективных технологий солнечной энергетики является создание фотоэлектрических станций с солнечными элементами на основе кремния, которые преобразуют в электрическую энергию прямую и рассеянную составляющие солнечной радиации с КПД 15%. Лабораторные образцы имеют КПД 23%. Мировое производство солнечных элементов превышает 50 МВт в год и увеличивается ежегодно на 30%. Солнечные электростанции с аккумуляторами идеально подходят для производства и хранения электроэнергии в местах с отсутствием энергоснабжения. Способность производить, накапливать и хранить электроэнергию делает такие солнечные электростанции надежным источником энергии в любое время, независимо от погодных условий и времени суток. В течение дня, солнечные электростанции заряжают аккумуляторы, а затем накопленная энергия по мере надобности подается на ввод. Контроллер заряда регулирует степень зарядки аккумуляторов и помогает продлить их эксплуатационный срок. Важнейшей частью солнечного элемента являются полупроводниковые слои потому, что именно там высвобождаются электроны и возникает электрический ток. В различных типах солнечных элементов используются различные виды полупроводниковых материалов, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Стоимость и сложность изготовления солнечных элементов зависит от используемых материалов и конструкции устройства. Главным элементом фотоэлектрических станций являются солнечные батареи. Они состоят из тонких пленок кремния или других полупроводниковых материалов и могут преобразовывать солнечную энергию в электрический ток.

Экономист. Полное количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли за неделю, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана. И в России наибольший теоретический потенциал имеет солнечная энергия . Несмотря на такой большой потенциал в новой энергетической программе России вклад возобновляемых источников энергии определен в очень малом объеме . Существует широко распространенное мнение, что солнечная энергия является экзотической и ее практическое использование-дело отдаленного будущего. А мы показали, что это не так и что солнечная энергия является серьезной альтернативой традиционной энергетике уже в настоящее время. Срок службы солнечных батарей практически не ограничен. Автономные солнечные электростанции в основном используются в районах, где источники общего энергоснабжения недоступны или слишком дороги. Также солнечные электростанции хорошо подходят для использования в целях, не требующих больших энергетических затрат. Удобство солнечных электростанций заключается в их небольшом весе, компактности и простоте установки. Например, солнечные электростанции, производящие до 500 Вт весят менее 68 кг. При выборе места расположения СЭС на территории России использованы данные метеостанций Астрахань, Сочи, Борзя (Читинская область), Каменная степь (Воронежская область), Оймякон (Якутия), Хабаровск, Нижний Новгород. Энергосберегающие технологии для солнечного дома являются наиболее приемлемыми по экономической эффективности их использования. Так как удельная стоимость СЭС не зависит от ее размеров и мощности, в ряде случаев целесообразно модульное размещение СЭС на крыше сельского дома, коттеджа, фермы. Собственник СЭС будет продавать электроэнергию энергосистеме в дневное время и покупать ее у энергетической компании по другому счетчику в ночные часы. Преимуществом такого использования, помимо политики поощрения малых и независимых производителей энергии, является экономия на опорных конструкциях и площади земли, а также совмещение функции крыши и источника энергии.

Эколог. Поскольку кремний занимает в земной коре по массе второе место после кислорода, можно предположить, что от первобытных людей с примитивными кремниевыми орудиями труда человечество через тысячи лет переходит к периоду, в котором в качестве конструкционных материалов будут использованы керамика, стекло, силикатные и композиционные материалы на основе кремния, а в качестве глобального источника энергии – кремниевые солнечные электростанции.

Достоинства:

• Экологическая безопасность для окружающей среды
• неисчерпаемость

Недостатки:

• Зависимость от погоды и времени суток.
• Как следствие необходимость аккумуляции энергии.
• Высокая стоимость конструкции.
• Необходимость постоянной очистки отражающей поверхности от пыли.
• Нагрев атмосферы над электростанцией.

Если учесть скрытые сейчас затраты в тарифах на энергию, то большинство новых технологий возобновляемой энергетики становится конкурентоспособными с существующими технологиями. В каждом случае есть свои плюсы и минусы. Существуют и другие способы получения энергии от солнца, и если удастся решить все проблемы, то спрос на такую продукцию может быть практически неограничен.

Группа № 2 “Ветряные электростанции – ветроэнергетические установки”. Приложение 2.

Ученый. История ветряков (такое название получили ветряные электростанции, ветряные генераторы) начинается еще в прошлом веке. Уже в 1995 году с помощью ветрогенератора вырабатывалось четыре с половиной тысячи мегаватт электрической энергии. Ветроэлектростанции целесообразно располагать в странах, имеющих подходящие скорости ветра, невысокий рельеф местности и испытывающих дефицит природных ресурсов. Мировым лидером в использовании ветряных электростанций является Германия. Ветряные электростанции должны иметь аккумуляторы для накопления электроэнергии, для более равномерной и стабильной работы системы.

Инженер. Ветряные электростанции производят электричество за счет энергии перемещающихся воздушных масс – ветра. Ветроэлектростанция – это мачта, наверху которой размещается контейнер с генератором и редуктором. К оси редуктора ветряной электростанции прикреплены лопасти. Контейнер электростанции поворачивается в зависимости от направления ветра. Ветряные электростанции с вертикальной осью вращения менее популярны. Сам генератор находится под мачтой, и главное, необходимость ориентации на ветер отсутствует. Ветряные электростанции с вертикальной осью вращения требуют для стабильной работы более высоких скоростей ветра и предварительного запуска от внешнего источника энергии. При исследовании климатических условий России, а именно скорость и направление ветра, мы выяснили наиболее благоприятные области возможного размещения ветроустановок в том или ином районе России, и в частности Волгоградской области.

Экономист. Производство ветряных электростанций обеспечило работой в Европе 60000 человек. За рубежом приняты постановления на государственном уровне, содействующие внедрению возобновляемых источников энергии. Российская Федерация – это страна с большой территорией, расположенной в разных климатических зонах, что определяет высокий потенциал использования ветряных электростанций. Технический потенциал в 6 раз превышает всё современное производство электроэнергии в нашей стране. Но за последние десятилетие, построено и пущено в эксплуатацию лишь несколько ветряных электростанций. В Башкортостане установлены четыре ветряных электростанции мощностью по 550 кВт. В Калининградской области, смонтировано 19 установок. Мощность парка ветряных электростанций составляет 5 МВт. На Командорских островах возведены две ветротурбины. В Мурманске вошла в строй одна ветроустановка. Но совокупная мощность ветроэлектростанций России не превысила в 2009 году 12 МВт. 

Эколог. Использование ветряных электростанции (ветрогенераторов) имеет ряд преимуществ по сравнению с другими электростанциями.

Преимущества:

• Ветряные электростанции не загрязняют окружающую среду вредными выбросами.
• Ветровая энергия, при определенных условиях может конкурировать с невозобновляемыми энергоисточниками.
• Источник энергии ветра – природа – неисчерпаема.
• разработка и монтаж ветроустановок очень дорогая процедура, но нужно учитывать такое преимущество, как использование бесплатной энергии ветра
• использование ветрогенератора, является очень экологичным способом выработки электроэнергии.

Недостатки:

• Ветер от природы нестабилен, с усилениями и ослаблениями. Это затрудняет использование ветровой энергии. Главная задача – найти техническое решение этой проблемы.
• Ветряные электростанции создают вредные шумы. Обычно ветряные установки строятся на таком расстоянии от жилых зданий, чтобы шум не превышал 35–45 децибел.
• Ветряные электростанции создают помехи телевидению и различным системам связи.
• Ветряные электростанции причиняют вред птицам, если размещаются на путях миграции и гнездования.

Для большей эффективности, экономичности лучше объединить ветряные электростанции с другими энергосистемами в комплексы.

Группа № 3 “Геотермальные станции”. Приложение 3.

Ученый. Значительная часть поверхности Земли обладает большими запасами геотермальной энергии вследствие вулканической деятельности, радиоактивного распада, тектонических сдвигов и наличия участков магмы в земной коре. В ряде географических районов использование геотермальных источников может существенно увеличить выработку энергии, так как геотермальные электростанции (ГеоТЭС) являются одним из наиболее дешевых альтернативных источников энергии. Только в верхнем трехкилометровом слое Земли содержится столько теплоты, что это позволяет рассматривать ее как альтернативу органическому топливу. Запасы геотермальной энергии в России чрезвычайно велики, по оценкам они в 12 раз превышают запасы органического топлива в стране. Геотермальными ресурсами также располагают Чукотка, Курильские острова, Приморский край, Западная Сибирь и Камчатка.

Инженер. Геотермальная энергия – это энергия, получаемая из природного тепла Земли. Достичь этого тепла можно с помощью скважин. Геотермический градиент в скважине возрастает на 1⁰С каждые 36 м. Это тепло доставляется на поверхность в виде пара или горячей воды. Такое тепло может использоваться как непосредственно как для обогрева домов и зданий, так и для производства электроэнергии. Термальные регионы имеются во многих частях мира. В России уже действуют три геотермальные электростанции. Все они расположены на Камчатке. Это, построенная еще в 1967 году Паужетская ГеоЭС, Верхне-Мутновская ГеоЭС и, считающаяся одной из самых современных в мире, Мутновская ГеоЭС. По данным института вулканологии РАН, геотермальные ресурсы Камчатки дают возможность обеспечения территории электроэнергией и теплом на 100 лет. Для производства электричества используются перегретые гидротермы с температурой выше 180°С. Гидротермальный раствор нагнетается в испаритель для снижения давления, из-за этого часть раствора очень быстро выпаривается. Полученный пар приводит в действие турбину. Если в резервуаре остается жидкость, то ее можно выпарить в следующем испарителе для получения еще большей мощности.

Экономист. Поскольку в последнее десятилетие в мире значительно возрос интерес к возобновляемым источникам энергии, в том числе и к геотермальным электростанциям, в России также активизировались работы в этой области. При этом отпадает необходимость в транспортировке и хранении топлива. Существует два основных способа использования геотермальной энергии: прямое использование тепла и производство электроэнергии. Прямое использование является наиболее простым и поэтому наиболее выгодным способом. Водопровод в таких случаях монтируется непосредственно в глубинные скважины. Получаемая горячая вода применяется для подогрева дорог, сушки одежды и обогрева теплиц и жилых строений. Выявленные запасы геотермальных вод с температурой 40-200° С и глубиной залегания до 3,5 к м на территории России могут обеспечить получение примерно 14 млн. м³ горячей воды в сутки. И чем выше геотермический градиент, тем дешевле обходится добыча тепла, за счет уменьшения расходов на бурение и качание. В наиболее благоприятных случаях, градиент может быть настолько высок, что поверхностные воды нагреваются до нужной температуры. Примером таких случаев служат гейзеры и горячие источники. Сегодня на территории России пробурено около 4000 скважин на глубину до 5000 м, которые позволяют перейти к широкомасштабному внедрению самых современных технологий для локального теплоснабжения на всей территории нашей страны. С учетом того, что скважины уже существуют, энергия, получаемая из них, в большинстве случаев окажется экономически выгодной.

Эколог. По данным РАО ЕЭС использование пара позволяет отказаться от сжигания ископаемого топлива и сократить объем выбросов вредных веществ, выделяемых при выработке того же количества электроэнергии на жидком топливе, на 2 миллиона тонн. Без использования возобновляемых источников нельзя удовлетворительно решить энергоснабжение районов Крайнего Севера, повысить до цивилизованного уровня надёжность и качество электроснабжения регионов, дефицитных по электрической энергии и органическим ресурсам, улучшить экологическую обстановку по стране и обеспечить аварийное энергоснабжение. Резервуары с паром и горячей водой являются лишь малой частью геотермальных ресурсов. Земная магма и сухая твердая порода обеспечат дешевой, чистой практически неиссякаемой энергией, как только будут разработаны соответствующие технологии по их утилизации.

Группа № 4 “Приливные электростанции”. Приложение 4. Приложение 5.

Ученый. Под влиянием притяжения Луны и Солнца происходят периодические поднятия и опускания поверхности морей и океанов – приливы и отливы. Частицы воды совершают при этом и вертикальные и горизонтальные движения. Наибольшие приливы наблюдаются в дни новолуний и полнолуний.. В открытом море подъем водной поверхности во время прилива не превышает 1 м. Значительно большей величины приливы достигают в устьях рек, проливах и в постепенно суживающихся заливах с извилистой береговой линией. В России обоснования проектов ПЭС осуществляются на специализированной морской научной базе на Баренцевом море, где идут исследования морских материалов, конструкций, оборудования и антикоррозионных технологий. Использование энергии приливов и отливов в интересах народного хозяйства – одно из самых перспективных направлений развития отечественной электроэнергетики.

Инженер. Существующие приливные электростанции используют перепад уровней воды, образующийся во время прилива и отлива. Для этого отделяют прибрежный бассейн невысокой плотиной, которая задерживает приливную воду при отливе. Затем воду выпускают, и она вращает гидротурбины. Единственная в нашей стране приливная электростанция находится на Баренцевом море в заливе Кислая Губа. Она была построена еще в 1968 году и в настоящее время служит экспериментальной базой для отработки новых технологий для приливных электростанций. Ее мощность относительно невелика – всего 1,7 МВт. В Советском Союзе также был разработан проект крупнейшей в мире приливной электростанции в Пенжинской губе в северо-восточной части Охотского моря. Высота приливов в там составляет 13 метров, это самый высокий показатель во всем Тихом океане. Если бы эта электростанция была построена, она стала бы крупнейшей электростанций в мире среди всех видов электростанций, ее проектная мощность должна была достигнуть 87 000 МВт. Но в настоящее время проект заморожен.

Экономист. Еще один проект-это Мезенская ПЭС. Реализация этой станции будет осуществлена на побережье Белого моря в Мезенском заливе, где сосредоточены основные запасы приливной энергии Европейской части России и величина прилива достигает 10 м. Расчеты экономической эффективности ПЭС в первой четверти нового века определили ее мощность в 11 млн. кВт. Энергию планируется использовать на внутреннем и внешнем рынках Северо-западного региона, в объединениях энергосистем “ЕЭС России” и Европейского сообщества. Пока энергия приливных электростанций обходится дороже энергии тепловых электростанций, но при более рациональном осуществлении строительства гидросооружений этих станций стоимость вырабатываемой ими энергии вполне можно снизить до стоимости энергии ГЭС. Поскольку запасы приливной энергии планеты значительно превосходят полную величину гидроэнергии рек, можно полагать, что приливная энергия будет играть заметную роль в дальнейшем прогрессе человеческого общества.

Эколог. Приливные электростанции не загрязняют атмосферу вредными выбросами, не затапливают земель. При этом решены вопросы беспрепятственного прохода всех видов промысловых рыб через водопропускные отверстия ПЭС. Это доказано исследованиями на Кислогубской ПЭС. А также они не представляют потенциальной опасности для человека в отличие от тепловых, атомных и гидроэлектростанций. В то же время себестоимость их энергии – самая низкая. Мировое сообщество предполагает лидирующее использование в ХХI веке экологически чистой и возобновляемой энергии морских приливов. Например, экологический эффект на примере Мезенской ПЭС заключается в предотвращении выброса 18 млн. тонн углекислого газа в год, что может приносить ежегодный доход около 2 млрд. долларов.

Итог урока.

Учитель биологии. Как мы видим источников энергии на нашей планете много. Но человечество просто до конца не научилось их использовать. Нельзя останавливаться на каком-то определенном источнике энергии, каждый вид должен развиваться и совершенствоваться. В последние годы тенденция роста использования возобновляемых источников энергии становится достаточно явной. Эти проблемы обсуждаются на самом высоком уровне. Так на встрече на высшем уровне в Японии в июне 2000 года главы восьми государств, в том числе Президент России В. В. Путин, обсудили глобальные проблемы развития мирового сообщества и среди них проблему роли и места возобновляемых источников энергии. Было принято решение образовать рабочую группу для выработки рекомендаций по значительному развертыванию рынков возобновляемой энергетики. Практически во всех развитых странах формируются и реализуются программы развития ВИЭ.

Учитель физики. Обратите внимание на один принципиально новый момент. До последнего времени в развитии энергетики прослеживалась четкая закономерность: развитие получали те направления энергетики, которые обеспечивали достаточно быстрый прямой экономический эффект. Связанные с этими направлениями социальные и экологические последствия рассматривались лишь как сопутствующие. А в настоящее время на передний план вышли не перспективные экономические выкладки, а общественный нажим, основанный на экологических требованиях.

Мир, вокруг которого можно облететь за 90 минут, уже никогда не будет для людей тем, чем он был для их предков".

Использованные источники информации:

1. Книга: "Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России" /П.П.Безруких, Ю.Д.Арбузов, Г.А.Борисов, В.И.Виссарионов, В.М.Евдокимов, Н.К.Малинин, Н.В.Огородов, В.Н.Пузаков, Г.И.Сидоренко, А.А.Шпак. – СПб.: Наука, 2002. 314 с.
2. "Экология производства" – научно-практический портал.
3. Сайт кампании "Новая Генерация".
4. www.YouTube.com
5. Физика. – № 18, № 21, № 39 – 2001. (Прилож. к газете “Первое сентября)
6. Журналы "Экология" за 2008, 2009, 2010 г
.
7. www.energystrategy.ru
8. www.solar-battery.narod.ru
9. "Энергия будущего" – информационный сайт по альтернативной энергетике.