Чистые источники энергии

В настоящее время проблема охраны природы и рационального использования её ресурсов приобрела огромное мировое значение. Человек осознает, что настало время позаботиться и о природе: она не может всё время отдавать, она не способна вынести нагрузки, которые от неё требует человек.

Ознакомимся с различными видами получения энергии и экспериментально исследуем два вида чистых источников энергии на моделях ветроэнергетической установки и солнечной электростанции.

1. Экологические проблемы источников энергии

На уроках географии мы получаем знания о природных ресурсах, условиях их залегания и методах добычи. Так же мы узнаем о том, какие страны обладают ими в полной мере, а какие зависят от поставок из-за рубежа. На уроках физики мы изучаем возможности получения различных видов энергии и превращения одного вида энергии в другой. Биология дает нам знания о том, как влияет окружающий мир на живые организмы, и, в частности на человека. Но человек, своей деятельностью меняет мир природы, и не в лучшую сторону.

Загрязнения, выбросы твердых веществ, двуокиси серы, оксидом углерода, азота, углеводородов от промышленных предприятий составляют около 97% суммарных выбросов. Происходит загрязнение водных ресурсов сточными водами, загрязнение атмосферы в результате выделения пыли и газообразных веществ. При сжигании органического топлива вся его масса превращается в отходы, причем продукты сгорания в несколько раз превышают массу использованного топлива за счет включения кислорода и азота воздуха (Рисунок 1).

Происходят многие существенные изменения в ландшафтах. При добывании ископаемых создаются огромные насыпи пустой породы (Рисунок 2). Они отрицательно влияют на водный режим окружающих земель в радиусе нескольких десятках километров: сохнут колодцы, скудеет растительность при формировании отвалов пород.

Всё, что перечислено, явно указывает на то, что переход на возобновляемые источники энергии неизбежен.

1.1.Возобновляемые источники энергии.

Возобновляемые ресурсы — природные ресурсы, запасы которых или восстанавливаются быстрее, чем используются, или не зависят от того, используются они или нет.

В современной мировой практике к возобновляемым источникам энергии (ВИЭ) относят водную, солнечную, ветровую, геотермальную, гидравлическую энергии; энергию морских течений, энергию волн, приливов, температурного градиента морской воды, разности температур между воздушной массой и океаном, энергию тепла Земли, энергию биомассы животного, растительного и бытового происхождения.

1.2.Невозобновляемые источники энергии.

Это источники энергии, которые используют природные ресурсы земли, в результате чего их запасы не восполняются. По прогнозам специалистов, даже при самом оптимистическом подходе, запасы наиболее удобных для использования и относительно недорогих видов топлива – нефти и газа при современных темпах их потребления будут в основном использованы через 30-50 лет. Кроме того эти ресурсы являются основным сырьем для химической промышленности, сжигая их мы на самом деле сжигаем огромное количество изделий из синтетических материалов.

Примеры невозобновляемых ресурсов: нефть, уголь, природный газ, торф, гидраты метана, руды металлов, лес.

Путь сжигания невозобновляемых запасов топлива отрицательно воздействует на окружающую среду. Нефть, разливаясь из танкеров, терпящих бедствие, губит мировой океан. добыча, и транспортировка, и переработка нефти сопряжена с вредными воздействиями на окружающую среду. Часто происходят разливы нефти в результате ее утечки из скважин или при транспортировке. Мы видим, какой вред наносят природе аварии нефтяных танкеров.

Гибнут рыбы и птицы, живущие на побережьях. Разливы нефти близко от берегов особенно вредны для морских птиц, икры и мальков рыб, обитающих около поверхности в прибрежных водах.

Горят нефтяные вышки, загрязняя атмосферу. При сжигании нефтепродуктов при переработке в атмосферу выбрасывается большое количество углекислого газа.

1) Использование.

Энергия ветра впервые использовалась на парусных судах, позже появились ветряные мельницы (Рисунок 3). Потенциал энергии ветра подсчитан более менее точно: по оценке Всемирной метеорологической организации ее запасы в мире составляют 170 трлн. кВт·ч в год. Ветроэнергоустановки разработаны и опробованы настолько основательно, что вполне прозаической выглядит картина сегодняшнего небольшого ветряка, снабжающего дом энергией вместе с фермой. Главным фактором использования ВЭУ является то, что это экологически чистый источник и он не требует затрат на защиту от загрязнения окружающей среды.

У энергии ветра есть несколько существенных недостатков. Она сильно рассеяна в пространстве, поэтому необходимы ветроэнергоустановки (ВЭУ), способные постоянно работать с высоким КПД. Ветер очень непредсказуем - часто меняет направление, вдруг затихает даже в самых ветреных районах земного шара, а иногда достигает такой силы, что ломает ветряки. Ветроэнергостанции не безвредны: они мешают полетам птиц и насекомых, шумят, отражают радиоволны вращающимися лопастями. Но, эти недостатки можно уменьшить, а то и вовсе свести их на нет. В настоящее время ветроэнергоустановки (ВЭУ) способны эффективно работать при самом слабом ветре. Шаг лопасти винта автоматически регулируется таким образом, чтобы постоянно обеспечивалось максимально возможное использование энергии ветра, а при слишком большой скорости ветра лопасть столь же автоматически переводится во флюгерное положение, так что авария исключается.

Разработаны и действуют так называемые циклонные электростанции мощностью до ста тысяч киловатт, где теплый воздух, поднимаясь в специальной 15-метровой башне и смешиваясь с циркулирующим воздушным потоком, создает искусственный “циклон”, который вращает турбину. Такие установки намного эффективнее и солнечных батарей и обычных ветряков. Энергию ветра уже используют для зарядки мобильных телефонов (Рисунок 4).

Чтобы компенсировать изменчивость ветра, сооружают огромные “ветряные фермы”. Ветряки при этом стоят рядами на обширном пространстве. Такие “фермы” есть в США, во Франции, в Англии, но они занимают много места; в Дании “ветряную ферму” разместили на прибрежном мелководье Северного моря, где ветер устойчивее, чем на суше (Рисунок 5).

Выработка электроэнергии с помощью ветра имеет ряд преимуществ:

а) экологически чистое производство без вредных отходов;

б) экономия дефицитного дорогостоящего топлива (традиционного и для атомных станций);

в) доступность;

г) практическая неисчерпаемость.

Места установки ВЭУ: на полях, где хорошие розы ветров, на морях, где преобладает разность давлений и создаются воздушные течения.

Эффективность ВЭУ зависит от режима и длительности работы, сезонной периодичности, от скорости и направления ветра.

Это мы проверим на экспериментальной установке.

2) Экспериментальная модель ВЭУ.

Она состоит из двух вентиляторов. Один из них имитирует ветер, а другой представляет собой работающую ВЭУ (Рисунок 6). Наша ВЭУ соединена через компьютер с преобразователем энергии ветра в электрическую энергию, в механическую энергию, энергию радиотелефонной связи колебательного контура приемника. На панели установки находится тумблер, переключающий все эти функции.

а) Первый эксперимент заключается в следующем: мы с помощью вентилятора-имитатора задаем силу ветра приближая и удаляя его от вентилятора, представляющего ВЭУ. На компьютере мы получаем таблицу зависимости мощности ветра и получаемого напряжения электрического тока.

По результатам эксперимента получили график зависимость мощности энергии вырабатываемой ВЭУ от силы ветра:

Мы установили, что потенциально энергетически выгодной является установка ВЭУ в таких местах, где среднегодовые скорости ветра превышают определенную величину и имеют часто повторяющуюся величину скоростей в диапазоне от 4 м/с до 9 м/с.

б) Для более полного использования энергии ветровое колесо должно занимать определенное положение относительно ветрового потока, ветровые двигатели многих типов оборудуют системами автоматической ориентации, чтобы плоскость вращения колеса была перпендикулярна направлению скорости ветра.

В эксперименте изменяли угол направления ветра, смещая вентилятор-имитатор под углом к ВЭУ. При этом на компьютере мы получаем таблицу мощности вырабатываемой энергии от угла поворота вентилятора-имитатора.

По результатам эксперимента получаем график зависимости мощности вырабатываемой ВЭУ энергии от угла направления ветра.

 в) Еще одна возможность эксперимента заключалась в запасании энергии полученной от ВЭУ в аккумуляторах. Для этого на установке есть тумблер по переключению подачи энергии и аккумуляторы.

Это актуально в связи с перерывами в работе ВЭУ из-за отсутствия ветра или понижения силы ветра, и для потребителя является приемлемым возможность периодического использования энергии ветра, переработанного и запасенного заранее в периоды работы ВЭУ.

Так же установка позволяет рассмотреть преобразование энергии, полученной ВЭУ, в электрическую, механическую и энергию радиотелефонной связи колебательного контура приемника. Для этого на панели установки есть тумблер, подключающий поочередно механизм для подъема грузов разной массы, радиоприемник и датчики света.

Энергия ветра преобразуется в механическую энергию.

При хорошей мощности ветра можно поймать различные радиостанции.

Датчики света показывают зависимость напряжения от мощности ветра. Сегодня ветровая установка представляет собой ветряное колесо, устанавливаемое достаточно высоко (50-100 метров) над землей, так как скорость ветра возрастает с высотой. Диаметр ветряного колеса в проектных разработках в различных странах составляет 30-100 метров. Такие большие размеры связаны с желанием получить большую мощность одного агрегата, так как стоимость электроэнергии уменьшается с ростом мощности.

1) Использование.

Солнечная энергия является экологически чистой энергией. Эксперты утверждают, что станция может производить достаточно энергии для снабжения 8 тысяч жилищ. Ряды вырабатывающих электроэнергию солнечных панелей занимают площадь около 60 га в самой солнечной европейской долине на юге Португалии.

Солнечные батареи просты и удобны в использовании, их можно устанавливать где угодно: на крышах и стенах жилых и производственных помещений, на специально оборудованных открытых площадках в регионах с большим числом солнечных дней (например, в пустынях) и даже вшивать в одежду (Рисунок 7).

Испанская компания Sun Red разработала проект мотоцикла, использующего для передвижения энергию Солнца. Поскольку пространства для размещения солнечных батарей на двухколесной машине немного, в Sun Red предусмотрели раздвижной кожух из фотоэлементов, закрывающий водителя (Рисунок 8).

Существуют самолеты, например именуемый Solar Impulse, создателем которого является Бертранд Пиккард, которые летают исключительно за счет солнечной энергии (Рисунок 9).

2) Экспериментальная модель солнечной станции (СЭС).

Она состоит из фотоэлемента, который освещается лампой имитирующей солнце. Фотоэлемент имитирует работу Солнечной электростанции (СЭС). Все данные моделируем с помощью компьютер (Рисунок 10) а, так же как и для ВЭУ.

Мы изучили три зависимости и получили следующие результаты.

а) Мощность вырабатываемой энергии зависит СЭС от времени суток. Угол положение лампы можно менять, тем самым, имитируя изменение времени суток.

График зависимости:

б) Мощность вырабатываемой энергии СЭС зависит от широты местности. Изменяя расстояние до фотоэлемента, мы как бы измененяем широту местности, где находится СЭС.

в) Мощность вырабатываемой энергии СЭС зависит от времени года. Изменяя яркость лампы , мы как бы изменяем время года.

График зависимости.

Так же как для ВЗУ, энергия солнца может запасаться в аккумуляторах и использоваться для разных целей. Солнечная энергия преобразуется в механическую энергию для подъёма грузов, в электроэнергию для работы электрических приборов. Также можно преобразовать энергию для работы радио. В нашем эксперименте приемник ловит частоты радиостанций.

3) Проблемы применения фотоэлементов.

Несмотря на экологическую чистоту получаемой энергии, сами фотоэлементы содержат ядовитые вещества, например, свинец, кадмий, галлий, мышьяк и т.д., а их производство потребляет массу других опасных веществ. Современные фотоэлементы имеют ограниченный срок службы (30—50 лет), и массовое применение поставит в ближайшее же время сложный вопрос их утилизации, который тоже не имеет пока приемлемого с экологической точки зрения решения. Однако, в последнее время начинает активно развиваться производство тонкоплёночных фотоэлементов, в составе которых содержится всего около 1 % кремния. Поэтому тонкоплёночные фотоэлементы дешевле в производстве, более экологичны, но пока имеют меньшее распространение.

3. Профессии, связанные с использование чистых источников энергии

Современному человеку за жизнь придется много раз менять виды деятельности, осваивать новые профессии, поэтому ему необходимо сориентироваться в многообразии профессий.

Профессии рассматриваются на четырех этапах, связанных с реализацией станции:

- проектирование (инженер-электромеханик, авиационный инженер, инженер-геодезист);

- установка (техник по установке, электротехник, вышкомонтажник) (Рисунок 11);

- техническое обслуживание (диспетчер энергосистемы);

- эксплуатация станций (техник по эксплуатации).

3.1. Проектирование:

а) Инженер-электромеханик.

Высококвалифицированный специалист, обладающий глубокими знаниями по теоретической электронике, теории автоматического регулирования, промышленной электронике и вычислительной технике, умеет разбираться в сложнейших чертежах и схемах  (Рисунок 12).

б) Инженер-геодезист.

Инженер-геодезист занимается составлением карт и планов местности. Он настраивает геодезические приборы, обрабатывает результаты съемки, производит необходимые вычисления, определяет место установки ВЭУ и солнечных станций.

3.2. Техническое обслуживание:

Диспетчер энергосистемы.

Диспетчер энергосистемы обеспечивает безаварийную работу энергосистемы, наблюдает за панелью, отражающей работу системы и сохраняет готовность к устранению возможных аварий (Рисунок 13).

3.3. Эксплуатация электростанций.

Техник по эксплуатации.

Техник по эксплуатации определяет потенциальные возможности эксплуатации ВЭУ, ветровой режим хозяйственно-экономические условия эксплуатации, эффективность ветряного двигателя.

4. Вывод

Человечеству необходимо уже сейчас, не растратив природных богатств, перейти на чистые источники энергии. Их надо рассматривать не с точки зрения конкурентной способности по сравнению с традиционными способами энергетики, а отвести роль важного, иногда вспомогательного направления, способного эффективно дополнять уже используемые энергетические средства и заменять их.

5. Список используемой литературы

1. М.А.Станкович, Э.Э.Шпильрейн. “Энергетика. Проблемы и перспективы”. Издательство. Москва, Энергия, 1981.

2. Б.М Берковский, В.А.Кузьминов. “Возобновляемые источники на службе у человечества” М: Изд-во "Мир". 1976. 295 с.

3. Глобальная энергетическая проблема / Под общ. ред. И.Д. Иванова.— М.: Мысль, 198.

4. Краффт А.Эрике. Будущее космической индустрии М.: Машиностроение.1979 г.

5. Дж.Твайделл, А.Уэйр. “Возобновляемые источники энергии”. Издательство: М.: Энергоатомиздат,  год: 1990.

6. Б.Бринкворт “Солнечная энергия для космоса”.

7. Я.И. Шефтер “Использование энергия ветра”. М.: Энергоатомиздат, 1983 г.

8. Энциклопедический словарь А.Б. Мигдала. София: Наука и изкуство, 1990.

Интернет ресурсы:

http://revolution.allbest.ru/physics/00016158_0.html

http://revolution.allbest.ru/ecology/00005949_0.html

http://fueloff.narod.ru/wind/dop1.htm