Исследовательская работа "Альтернативные виды энергии на примере Брянской области"

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

-Лопушская средняя общеобразовательная школа

имени писателя Николая Матвеевича Грибачева

Исследовательская работа по теме:

« АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ»

Выполнил: ученик 10 класс Лоскин В. А.

Научный руководитель:

Учитель географии

Пряников Н. В.

Лопушь ,2018-2019.

Оглавление

Введение…………………………………………………………………………...3

Глава 1.

1.1Альтернативные источники энергии………………………………………... 4

1.2 Виды альтернативных источников энергии…………………………………5

Глава 2

2.1Практическая работа………………………………………………………....19

Заключение……………………………………………………………………….20

Список литературы…………………………………………………………….. 21

Приложения

Приложение 1……………………………………………………………………22

Приложение 2……………………………………………………………………23

Введение

Актуальность: Люди уже очень давно используют энергию для упрощения своей жизни. Они используют её для обогрева жилья, освещения домов и улиц, дозаправки своих автомобилей, работы бытовых приборов и многого другого. Но мало кто из людей задувался о том, что энергия не бесконечна и что рано или поздно она может закончиться. Сейчас запасы традиционных источников энергии, таких как нефть, газ и уголь, неумолимо уменьшаются, и цены на них растут не по дням, а по часам. И в скором времени использование таких источников энергии попросту станет невыгодным. В связи с этим все больше стран в своей энергетической политике обращают внимание на альтернативные источники энергии.

Цель: Найти наиболее эффективный альтернативный источник энергии для территории Брянской области.

Задачи:

1.Изучить информацию по теме «Альтернативные источники энергии».

2.Проанализировать изученной информации.

3.Практическая работа.

Цель работы: найти наиболее эффективный источник энергии для нашего региона.

Предмет исследования: Альтернативные виды топлива.

Объект исследования: Энергия.

Гипотеза: В связи с тем, что в нашем регионе нет сильных ветров, вулканов и морей, наиболее эффективны источником энергии будет солнце.

Альтернативные источники энергии.

До недавнего времени основными источниками энергии были: нефть, газ, уголь и вода. Однако ресурсы природа стремительно истощаются, цены на них становятся всё выше и выше, к тому же, при их переработке выделяется вредные вещества, негативно влияющих на окружающую среду. Именно по этим причинам на данные момент многие исследователи посвящают свои работы поиску альтернативных источников энергии.

Альтернативные источники энергии – это, прежде всего, экологически чистые возобновляемые ресурсы, которые при их переработке позволяют получить энергию, используемую для повседневных нужд многих людей. Они более эффективные, дешевые и экологически безопасные. Однако, вместе с этим альтернативные источники энергии являются более дорогими в сравнении с переработкой угля и нефти, а также они могут применятся не на всех территориях, это может быть связано с отсутствием нужных условий для применения. По этой причине исследователи не перестают искать новые решения этой проблемы, всё больше и больше обращая своё внимание на менее популярные методы. Некоторые из них довольно необычны, а некоторые – глупы и нереалистичны. Альтернативные источники энергии имеют очень много плюсов, но они имеют и существенный минус: высокая цена.

Виды альтернативных источников энергии.

Энергия ветра

Стремление освоить энергию ветра привело к созданию множества различных агрегатов. Некоторые из них достигают десятков метров в высоту, и, как мне кажется, со временем они могли бы образовать целую энергетическую сеть. Большие ветроэнергетические агрегаты предназначены для получения электроэнергии в очень больших объёмах, а малые предназначены для снабжения электричество отдельных домов. В проектировании установки самая трудная часть состоит в том, чтобы при разной силе ветра обеспечить одинаковое число оборотов пропеллера. Поэтому угол наклона лопастей по отношению к ветру регулируют за счет поворота их вокруг продольной оси: при сильном ветре угол острее, воздушный поток свободнее обтекает лопасти и отдает им меньшую часть своей энергии. Помимо регулирования лопастей весь генератор автоматически поворачивается на мачте против ветра.

История развития

        Предположительно, первый механизм, который использовал энергию ветра, был простым устройством с вертикальной осью вращения лопастей, который использовался для размола зерна. Около 200 лет до н.э. в Персии появились первые мельницы с горизонтальной осью вращения. Подобный примитивный тип ветряной мельницы применяется до наших дней во многих странах Средиземноморья.

        Первое письменное описание устройства, которое использовалось для выполнения механической работы при использовании ветра, – работа Герона, который в 1 веке н.э. описал принцип работы ветряной мельницы

В XIV столетии по всей Европе начинается повсеместное использование ветряных мельниц для орошения полей в засушливых областях, для осушения болот и озер. Так, к примеру, в середине XIX столетии в Голландии уже использовалось для разных целей около 9 тыс. ветродвигателей.

В начале XX столетия резко возрос интерес к использованию энергии ветра для нужд промышленности и сельского хозяйства. В 1890 году в Королевстве Дания была построена первая ветряная электростанция, а к 1908году из уже насчитывалось 72, установленной мощностью каждая от 5 до 25 кВт.

К началу XX столетия в Российской империи функционировало около 2,5 тысяч ветряных мельниц общей мощностью 1 млн. кВт.

В 1931 году недалеко от Ялты была построена самая крупная на то время ветроэнергетическая установка общей мощностью около 100 кВт

В период с 40-x по 70-е годы прошлого столетия предпринимались неудачные попытки использовать энергию ветра в крупномасштабной энергетике. Причиной этому было интенсивное строительство мощных тепловых гидроэлектростанций и атомных электростанций, а также распределительных электросетей, обеспечивающих независимое от погодных условий энергоснабжение.

Возрождение интереса к ветроэнергетике началось в 1970-x после нефтяного кризиса .Этот период показал сильную зависимость многих стран от импорта нефти, это стало главной причиной поиска различных вариантов для снижения этой зависимости. В настоящий момент ветроэнергетика является быстро развивающейся и перспективной отраслью. 

Применение:

Механическая энергия ветра всегда широко применялась человечеством для подъема воды в сельских или удалённых местностях. В настоящее время более 100 000 водяных насосов, работающих за счет энергии ветра, установлено в мире. Большинство из них расположено в сельских не электрифицированных районах. Люди используют их для добычи питьевой воды и воды необходимой для сельского хозяйства.

Особый интерес в настоящее время представляет использование данного вида энергии для обеспечения электрической энергией частных домов, то есть, ветряные электростанции для индивидуального пользования. Особый интерес в настоящее время представляет использование данного вида энергии для обеспечения электрической и тепловой энергией частных домов и коттеджей, то есть, ветряные электростанции для индивидуального пользования. Например, энергия ветра успешно используется для зарядки аккумуляторов и использования их для освещения и обеспечения работы бытовой техники. Малые ветрогенераторы вырабатывают электроэнергию, которую можно хранить в аккумуляторах, а затем использовать ее тогда, когда это удобно домовладельцу.

Достоинства:

1. Экологически чистый вид энергии.

2. Эргономика.

3. Возобновляемая энергия.

4. Ветровая энергетика - лучшее решение для труднодоступных мест.

Недостатки:

1. Нестабильность

2. Высокая стоимость

1. Шумовое загрязнение может причинять беспокойство диким животным и людям, проживающим поблизости

Вывод: Энергия ветра неисчерпаема и экологически чиста .Это лучшее решение для труднодоступных мест. Но вместе с этим оно нестабильно, дорого стоит и создают много шума.

Солнечная энергия

Солнце - практически неиссякаемый запас энергии. По этой причине солнечная энергетика одна из самых перспективных отраслей нетрадиционной энергетики на данный момент. Всего за три дня Солнце посылает на Землю столько энергии, сколько ее содержится во всех разведанных запасах ископаемых топлив, а за 1 с – 170 млрд. Дж. Большую часть этой энергии рассеивает или поглощает атмосфера, особенно облака, и только треть ее достигает земной поверхности. Вся энергия, испускаемая Солнцем, больше той ее части, которую получает Земля, в 5000000000 раз. Но даже такая «ничтожная» величина в 1600 раз больше энергии, которую дают все остальные источники, вместе взятые. Солнечная энергия, падающая на поверхность одного озера, эквивалентна мощности крупной электростанции.

Применение

        Солнечные батареи массово применяются во многих отраслях за счет своей многофункциональности и простоте.

        В современной архитектуре все чаще планируют строить дома с встроенными аккумуляторными источниками солнечной энергии. Солнечные батареи устанавливают на крышах зданий или на специальных опорах. Эти здания используют тихий, надежный и безопасный источник энергии — Солнце.

Многие мировые производители электроники и бытовых приборов уже начинают внедрять солнечные панели в свою продукцию. К примеру, каждый в своей жизни сталкивался с обычным калькулятором, работающим от солнечной энергии. Помимо этого, в современном мире существует масса полезных приборов, которые оснащены небольшой солнечной панелью. Это различные зарядные устройства для мобильных телефонов и аккумуляторов, фонарики, мобильные телефоны и так далее. Потенциал огромен и не имеет границ.

Весьма распространено применение солнечных батарей в качестве уличного освещения. Светильники, работающие на солнечных батареях, довольно часто применяются в качестве украшения к ландшафтному дизайну.

        В космонавтике солнечные батареи играют существенную роль. Эти устройства являются автономными источниками электричества, снабжающие электроэнергией все системы и установки жизнеобеспечения космических станций, а также обеспечивают бесперебойную и четкую работу всей аппаратуры.  Батареи одновременно питают электричеством оборудование и заряжают аккумуляторы, которые будут снабжать электроэнергией космические устройства в теневых участках орбиты.

        Одна из важнейших отраслей использования энергии Солнца – автомобилестроение. В «зеленых» автомобилях в светлое время суток двигатели приводятся в движение за счет электричества, выработанного солнечным генератором, а в темное время - за счет заряженных аккумуляторов.

История развития.

«Отцами» солнечной энергетики следует считать французского физика Александра Эдмона Беккереля, электрика-изобретателя из Нью-Йорка Чарльза Фриттса, а также Альберта Эйнштейна. Первый, ещё в 1839 году заметил фотоэффект, представляющий собой излучение электронов под воздействием солнечного света. Второй, 44 года спустя, создал первый солнечный модуль — покрытый тонким слоем Селена. КПД этой первой солнечной батареи был весьма низок — около 1%. В 1905 году Эйнштейн получает Нобелевскую премию за доработку идей Беккереля. В 30-х годах прошлого века отечественные учёные под руководством академика А.Ф. Иоффе создали первые солнечные сернисто-таллиевые элементы. КПД их был низок. Однако работы над солнечными батареями продолжились. В начале 50-х годов ХХ века, в США, в лаборатории компании Bell Telephone, Джеральд Пирсон с товарищами установил, что кремний с определённым покрытием заметно более чувствителен к солнечному свету, чем селен. В итоге была создана солнечная ячейка-батарея с КПД около 6%. С 1958 года кремниевые солнечные батареи стали основным источником энергии для космических кораблей и орбитальных станций.

        Очередной всплеск интереса к солнечной энергетике пришелся на нефтяной кризис 1973–1974 годов, когда многие страны лихорадочно бросились искать альтернативные источники энергии.  Только в США за это время было установлено более 3000 фотоэлектрических систем.  Производились солнечные часы и калькуляторы, строились дома, использующие исключительно энергию солнца.

Первая попытка производства солнечной энергии в промышленных масштабах была предпринята в США, где в 1981 году заработала гелиотермальная электростанция в пустыне Мохаве. Ее площадь составляла 83 тысячи квадратных метров, а мощность – 10МВт. Удачный опыт ее использования способствовал дальнейшему развитию солнечной энергетики

 Огромный вклад в развитие отрасли внесла группа советских ученых под руководством Жореса Алфёрова. В 1970 году она представила первую высокоэффективную солнечную батарею с применением галлия и мышьяка. Воспользовавшись этой идеей, Applied Solar Energy Corporation (ASEC) в 1988 году выпустила батарею с КПД 17%. Большая часть современных батарей, к примеру, имеет коэффициент полезного действия около 20%. Правда, и это уже не предел. В 2011 году компания Boeing наладила выпуск солнечных панелей с КПД 39,2%.

Достоинства:

1. Общедоступность и неисчерпаемость источника.

2. Теоретически, полная безопасность для окружающей среды.

Недостатки:

1. Зависимость от погоды и времени суток.

2. Необходимость аккумуляции энергии.

3. Высокая стоимость конструкции, связанная с применением редких элементов.

4. Необходимость периодической очистки отражающей поверхности от пыли.

Вывод: Солнечная энергия полностью безопасна для окружающей среды и доступно везде, но она зависит от погоды и стоит довольно дорого.

Геотермальная энергия

Это энергия добываемая из недр земли за счёт геотермальных станций.

В вулканических районах циркулирующая вода перегревается выше температуры кипения на небольших глубинах и по трещинам поднимается к поверхности, иногда проявляя себя в виде гейзеров. Доступ к подземным тёплым водам возможен при помощи глубинного бурения скважин.

Главным достоинством геотермальной энергии является её практическая неиссякаемость и полная независимость от условий окружающей среды, времени суток и года.

История развития.

Первая централизованная система теплоснабжения на геотермальной энергии заработала в 14 веке во Франции. А первое промышленное использование началось в 1827 году в Италии, когда с помощью пара извлекали борную кислоту из содержимого грязевых вулканов.

В США отопительная система, работающая исключительно на геотермальной энергии, появилась в 1892 году. Позднее, в 1926 году, гейзеры начали применять для нагревания теплиц в Исландии, а впоследствии – и для отопления домов.

В 1960 году в США в штате Калифорния начала действовать первая успешная геотермальная электростанциямощностью 11 МВт.

После изобретения в 1979 году полибутиленовых труб эффективность использования геотермальной энергии сильно увеличилась.

В 1967 году в СССР была представлена первая электростанция, работающая по методу двойного цикла. Новая технология позволяла получать электроэнергию, используя гораздо меньшие температуры.

Применение геотермальной энергии.

Существует два основных способа использования геотермальной энергии: прямое использование тепла и производство электроэнергии. С этим связано и использование ее человечеством.

На сегодняшний день геотермальные ресурсы используются в сельском хозяйстве, садоводстве, промышленности, сфере жилищно-коммунальных хозяйств. В нескольких странах построены крупные комплексы, обеспечивающие население электроэнергией. Продолжается разработка новых систем.

Чаще всего использование геотермальной энергии в сельском хозяйстве сводится к обогреву и поливу теплиц.

Достоинства:

1. Возобновляемый источник энергии.

2. Геотермальная электростанция для работы не требует поставок топлива из внешних источников.

3. Эксплуатация геотермальной электростанции не требует дополнительных расходов.

1. Обычная геотермальная электростанция, расположенная на берегу моря или океана, может применяться и для опреснения воды.

2. Не зависит от времени года и времени суток.

Недостатки:

1. Трудность подбора места строительства и согласования проекта с местными властями.

2. Нестабильность.

3. Через эксплуатационную скважину могут выделяться горючие или токсичные газы или минералы, содержащиеся в породах земной коры. Избавиться от них достаточно сложно.

4. Большая стоимость

Вывод: Геотермальная энергия довольно эффективна, но она не может использоваться повсеместно. Она не требует больших затрат для работы, но для строительства требуются большие средства.

Грозовая энергетика

Это энергия, добываемая из молний, с помощью молниеотводов. Это очень эффективный источник энергии, так как молнии есть всегда и везде.

Молния -— гигантский электрический разряд в атмосфере, обычно происходить во время грозы, проявляющийся яркой вспышкой света и сопровождающим  громом.

Процесс образования молний весьма сложен. Изначально из наэлектризованного облака к земле устремляется разряд, который был сформирован электронными лавинами, слившимися в разряды. Этот разряд оставляет за собой горячий ионизированный канал, по которому в обратном направлении движется главный разряд молнии, вырванный с Земли мощным электрическим полем. За доли секунды процесс повторяется несколько раз. Основная проблема – это поймать разряд и перенаправить его в сеть.

Молнии делятся на два типа: одни вызываются отрицательными разрядами, которые накапливаются в нижней части грозового облака, а другие – положительные, собирающиеся в его верхней части. Второй тип встречается от 4 до 17 раз реже, чем разряды первого типа. Это очень важен при проектировании и построении сборщиков электричества.

Молния имеет крайне огромный энергетический потенциал. Сила тока в разряде молнии на Земле достигает 10-500 тысяч ампер, напряжение — от десятков миллионов до миллиарда вольт. Мощность разряда — от 1 до 1000 ГВт. Количество электричества, расходуемого молнией при разряде — от 10 до 50 кулон. Предположительно, одного заряда молнии хватит, чтобы зарядить большую страну на 30 минут времени.

Как известно, на планете в любой момент времени происходит около 1500-3000 гроз, что подталкивает к освоению молнии как источника энергии.

Предполагаются также и другие накопители - от подземных резервуаров с металлом, который плавился бы от молний, попадающих в молниеотвод, и нагревал бы воду, чей пар вращал бы турбину, до электролизеров, разлагающих разрядами молний воду на кислород и водород. Но данные варианты кажутся слишком сложными для осуществления. Я считаю, что успех возможен с более простыми системами.

Следовательно, теоретически, грозовая энергетика может стать еще одним эффективным источником энергии. Исследования в данной области энергетики должны еще проводиться, а технологии совершенствоваться. В будущем будет понятно, следует ли использовать молнии в качестве электричества или нет.

Достоинства:

1. Неиссякаемость ресурса

2. Большая мощность, получение большого количества энергии

Недостатки:

1. Нестабильность

2. Зависит от погодных условий.

Вывод: Грозовая энергетика имеет огромный потенциал, так как молнии есть везде и сила тока в разряде молнии достигает  невообразимых высот. Таким способом можно добывать энергию в любой точке планеты.

Волновая энергетика

Это получение электроэнергии их кинетической энергии волновых масс. По сравнению с энергией ветра или солнца энергия волн обладает большой мощностью. Средняя мощность волнения морей и океанов превышает 15 кВт/м. При высоте волн около 2 м мощность достигает 80 кВт/м. Для получения электроэнергии можно использовать только часть мощности волнения морей и океанов, но для воды коэффициент преобразования выше, чем для воздуха – до 85 %.

Применение:

Волновая энергетика строится в морях и океанах, в связи этим их применение край

невыгодно. Из-за далёкого расположения от жилого сектора они не могут использоваться для обеспечения энергией жилых домов. Поэтому волноэнергетические установки используются для питания маяков, буев, сигнальных морских огней и стационарных океанологических приборов, расположенных далеко от берега.

Достоинства:

1. Экологическая безопасность установок;

2. Волновые электростанции могут выполнять защитные функции, путем гашения волн вблизи портовых акваторий и береговой линии;

3. Возобновляемый источник энергии;

4. Низкая себестоимость получаемой электроэнергии

5. Продолжительный срок эксплуатации.

Недостатки:

1. Малая мощность вырабатываемой энергии;

2. Не стабильный характер работы, вызванный атмосферными явлениями в окружающей среде;

3. Может создавать опасность для хода судов и промышленного лова рыбы.

Вывод: В связи с строительством волновых электростанций далеко в морях и океанах, они не могут служить источником энергии для большого количества людей. В добавок они имеют малую мощность вырабатываемой энергии и создают опасность для хода судов и промышленного лова рыбы. По этим причинам волновая энергетика не эффективный источник энергии.

Вывод: На данный момент существует множество различных альтернативных источников энергии, все они были созданы для того, чтобы обеспечить человечество энергией тогда, когда традиционная энергетика будет неспособна с этим справится. Все предлагаемые способы добычи энергии оригинальны и способны спасти человечество от нехватки энергии, но большая часть из них неэффективны и требуют больших затрат. Это связано с малым КПД установок и их малой оптимизацией. Некоторые из установок для своей работы требуют наличие вулканов, сильных ветров или других природных условий для своей работы. Из-за этого не все виды станций, добывающих электричество, можно использовать на той или оной территории, так как может не быть подходящих условий для её эксплуатации.

Практическая работа: Проанализировав скорость ветра на территории брянской области ( приложение 1) мы пришли к тому, что ветровая энергетика не может быть эффективным источником энергии для жителей брянщины. А в связи с тем, что на территории нашей области отсутствуют вулканы и моря, двумя наиболее эффективными источниками энергии могут стать грозовая и солнечная энергетика. Мы решили остановиться на солнечной энергетике, так как она уже используется в других регионах Российской Федерации и довольно проста в эксплуатации. Простейшим примером использования энергии солнца может служить калькулятор с солнечной батареей (приложение 2). Используя энергию, полученную от Солнца, он может неограниченно долго работать, так как всегда имеет неограниченный запас энергии. Грозовая энергетика уступает солнечной-из-за редкости гроз на нашей территории. Солнце же над горизонтом появляется каждый день и освещает всю территорию брянской области.

Из всего это мы сделали вывод: Ввиду своей относительной стабильности солнечная энергетика является наиболее эффективным альтернативным источником энергии для территории брянской области.

Заключение: На данный момент учёные научились добывать энергию различными интереснейшими образами, каждый из них по-своему уникален и полезен людям. Одним способом энергию можно добывать высоко в горах, другим черпать энергию из недр земли, а третьи преобразуют «энергию неба», чтобы использовать её в своих мирских делах. Во всём этом многообразии способов получать энергию можно и запутаться, но не стоит забывать главное, не все они эффективны! Некоторые дороги в обслуживании, другим требуются определённые условия для эксплуатации, а некоторые можно применять только на определённой территории. Всё это заставляет нас задуматься.

Какой же альтернативный источник энергии наиболее эффективен на той или иной территории. Мы долго думали над этим вопросом. И нашли на него ответ: из-за отсутствия морей, вулканов и сильных ветров, наиболее эффективным альтернативным источником энергии на территории брянской области будет - солнечная энергия. Из-за своей относительной стабильности и простоты эксплуатации, она может обеспечивать людей энергией почти в любых условиях, независимо от местности и времени года. Единственным условием работы солнечной электростанции является наличие Солнца. А оно, как нам известно, каждый день восходит на Востоке и заходит на Западе , и если ничего не изменится ,оно будет стабильно обеспечивать нас энергией!

Список литературы:

1. Байерс Т.20 конструкций с солнечными элементами: учебник. - М.: Мир, 1988.

2. Сюнроку Танака Жилые дома с автономным теплохладоснабжением: учебное пособие / Танака Сюнроку, Суда Рейдзи. - М.: Стройиздат, 1989.

3. Шефтер И.Я. Использование энергии ветра: учебное пособие. - М.: Энергия, 1975.

4. https://ria.ru/20091113/193404769.html

5. https://www.13min.ru/nauka/alternativnye-istochniki-energii/

6. https://alter220.ru/news/alternativnye-istochniki-energii.html

Приложение 1

Приложение 2