Альтернативные источники энергии
проект по физике (10 класс)

Н. Чернилевский, 11 класс

Е.А. Образцова 

МБОУ «СОШ №59 им. Г. М. Мыльникова» г.Курска

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА

Актуальность исследования.В нашем мире очень важную роль играют источники тока. Мы каждый день сталкиваемся с батарейками, аккумуляторами и топливными элементами. Однако привычные нам источники энергии, а впоследствии и тока устарели. Человек задумался об экологии, экономии ресурсов планеты, технологичности процессов. Поэтому детальное рассмотрение темы альтернативных источников электрического тока поможет решить большое количество проблем.

Цель исследования – изучение способов получения, передачи и использования электричества. Объект исследования – альтернативные источники тока. Предмет исследования – перспективность альтернативных источников тока. Создать свой альтернативный источник тока

Задачи исследования :

1. Изучение технологии получения энергии с помощью альтернативных источников.
2. Ознакомиться с географией распространения альтернативных способов получения энергии.
3. Получение практического опыта в построении экспериментов
4. Оформить результаты исследования.

Методы исследования: работа с источниками сети «Интернет», фотоматериалами.

Первый источник тока придумал итальянский физик, химик и физиолог,

 уже упомянутый Алессандро Вольта. В 1800г. Он построил Вольтов столб, так окрестили это изобретение ученые – химики. Состоял он из пластин цинка, меди или серебра, разделенных матерчатыми прокладками, смоченные в растворе соли или кислоты. Когда пластины соединяли металлической проволокой, по ней шёл постоянный ток. Для того чтобы получать большее напряжение англичане придумали соединять последовательно несколько обычных гальванических элементов. И тогда не одну, а сразу несколько десятков пар электродов из меди и цинка помещали в раствор кислоты. Получалось схожее по своей мощности на батарею [1].

Первый источник являлся примером простейшего химического источника. Но нужно различать количество видов источников. Так, выделяются основные четыре вида [2] :

1. Механический
2. Тепловой
3. Световой
4. Химический

Эти виды могут интегрировать по механизму получения тока друг в друга, а также можно из таких разновидностей выделить альтернативные источники электрического тока. Рассмотрим каждый вид на простых примерах.

Механические источники тока. В этих источниках происходит преобразование механической энергии в электрическую. Преобразование осуществляется в специальных устройствах – генераторах. Основными генераторами являются турбогенераторы, где электрическая машина приводится в действие газовым или паровым потоком, и гидрогенераторы, преобразующие энергию падающей воды в электричество. Большая часть электроэнергии на Земле производится именно механическими преобразователями. Видеть такие механические преобразователи можем хоть каждый день - на уроках физики, в качестве Электрофорной машины!

Тепловой источник тока.Здесь преобразуется в электричество тепловая энергия. Возникновение электрического тока обусловлено разностью температур двух пар разных контактирующих металлов или полупроводников — термопар (на рисунке узлы aи bэто место соединения таких разных металлов) В этом случае заряженные частицы переносятся от нагретого участка к холодному. Величина тока зависит напрямую от разности температур: чем больше эта разность, тем больше электрический ток. Термопары на основе полупроводников дают термо-ЭДС в 1000 раз больше, чем биметаллические, поэтому из них можно изготавливать источники тока. Металлические термопары используют лишь для измерения температуры. На основе изобретения термопар основаны современные безопасные и технологичные газовые и электрические конфорки.

Световые источники тока.С развитием физики полупроводников в конце ХХ века появились новые источники тока – солнечные батареи, в которых энергия света преобразуется в электрическую энергию. В них используется свойство полупроводников выдавать напряжение при воздействии на них светового потока. Особенно сильно этот эффект наблюдается у кремниевых полупроводников. Но всё-таки КПД таких элементов не превышает 15%. Солнечные батареи стали незаменимы в космической отрасли, начали применяться и в быту. Цена таких источников питания постоянно снижается, но остаётся достаточно высокой: около 100 рублей за 1 ватт мощности.

Химический источник тока.Источник ЭДС, в котором энергия протекающих в нём химических реакций непосредственно превращается в электрическую энергию. И тут можно все химические источники разбить на три группы: Гальванические, Аккумуляторы, Тепловые.

Гальванические элементы работают на основе взаимодействия двух разных металлов, помещённых в электролит. В качестве пар металлов и электролита могут быть разные химические элементы и их соединения. От этого зависит вид и характеристики элемента. Важная деталь, что Гальванические элементы используются только разово, т.е. после разряда их невозможно восстановить.

Аккумуляторы можно подвергать многим циклам заряда-разряда. Например,Свинцово-кислотные аккумуляторы состоят из свинцовых пластин, погружённых в раствор серной кислоты. При замыкании внешней электрической цепи происходит химическая реакция, в результате которой свинец преобразуется в сульфат свинца на катоде и аноде, а также образуется вода. В процессе зарядки сульфат свинца на аноде восстанавливается до свинца, а на катоде до диоксида свинца.

Тепловые химические элементы служат как источники резервного питания. Они дают отличные характеристики по удельной плотности тока, но имеют короткий срок службы (до 1 часа). Применяются в основном в ракетной технике, где нужны надёжность и кратковременная работа.Первоначально тепловые химические источники не могут давать электрический ток. В них электролит содержится в твёрдом состоянии и для приведения батареи в рабочее состояние необходим разогрев до 500-600°C. Такой разогрев осуществляется специальной пиротехнической смесью, которая воспламеняется в нужный момент.

Идеальный источник по законам физики должен обладать бесконечным внутренним сопротивлением, чтобы обеспечить постоянство электрического тока в нагрузке. Реальные источники имеют конечное внутреннее сопротивление, а значит ток зависит как от внешней нагрузки, так и от внутреннего сопротивления. Вот вкратце и всё о разнообразии современных источников электрического тока. Как видно из обзора, на сегодняшний день создано внушительное количество источников с характеристиками, подходящими для любой сферы применения. Но что же касается Альтернативных источников электричества?

Повторюсь,в связи с развитием производственных технологий и значительным ухудшением экологической ситуации во многих регионах земного шара, человечество столкнулось с проблемой поиска новых источников энергии. Поэтому и пришлось изобретать новые технологичные, не похожие на традиционные виды получения электроэнергии. Так появились Альтернативные источники тока. Конечно, нужно понимать, что изобретение подобных источников очень затруднительно, ведь нужно проектировать кардинально новый способ получение электроэнергии. Поэтому их не так много и они так не распространены. Но все же на сегодняшний день есть немного действующих электростанций, работающих на альтернативном способе получения электрического тока.

Солнечная энергетика основана на преобразовании энергии солнца, в результате которого получается электрическая и тепловая энергии. Получение электрической энергии основано на физических процессах, происходящих в полупроводниках под воздействием солнечных лучей, получение тепловой – на свойствах жидкостей и газов. Для генерации электрической энергии комплектуются солнечные электростанции, основой которой служат солнечные батареи (панели), изготавливаемые на основе кристаллов кремния. Основой тепловых установок — служат солнечные коллекторы, в которых энергия солнца преобразуется в тепловую энергию теплоносителя. Мощность подобных установок зависит от количества и мощности отдельных устройств, входящих в состав тепловых и солнечных станций[3, с 332]

Такая технология получения электроэнергии выгодна и перспективна, но трудности в выборе места, погодных условий и затрат на материалы делает не самой доступной. В России есть подобные солнечные электростанции(СЭС). Самая крупная- Сорочинская СЭС в Оренбургской области (см. изображение). Так, работает мощностью 60 МВт, что и сделало ее самым мощным объектом фотовольтаики, построенным в России![4]

Ветровая энергетика [3, с 330] основана на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в электрическую энергию, используемую потребителями. Основой ветровых установок служит ветровой генератор. Ветровые генераторы различаются по техническим параметрам, габаритным размерам и конструкции: с горизонтальной и вертикальной осью вращения, различным типом и количеством лопастей, а также по месту их расположения (наземное, морское и т.д.)

Крупнейшая ветряная электростанция в России — Ульяновская ВЭС находится в Ульяновской области, её мощность составляет 35 МВт.Ветровые турбины устанавливаются в районах с регулярным ветром. Россия имеет огромный потенциал в этом направлении. В регионах Ульяновской области такой ветряной потенциал велик, чем и было обусловлено место строительства ветряной ЭС. Технология получения электроэнергии таким путем имеет неплохой КПД, но все будет зависеть от погодных условий в регионе [5]

Гидроэнергетика основана на преобразовании кинетической энергии водных масс в электрическую энергию, которая также используемую человеком в своих целях. К объектам данного вида относятся гидроэлектростанции различной мощности, устанавливаемых на реках и иных водных объектах. В таких установках, под воздействием естественного течения воды, или путем создания плотины, вода воздействует на лопасти турбины вырабатывающей электрический ток. Гидротурбина, является основой гидроэлектростанций. Еще один способ получения электрической энергии путем преобразования энергии воды – это использование энергии приливов, посредством строительства приливных станций. Работа таких установок основана на использовании кинетической энергии морской воды в период приливов и отливов, происходящих в морях и океанах под воздействием объектов солнечной системы.

Самой крупной ГЭС в России является Саяно-Шушенская ГЭС (см. изображение) .Расположена на реке Енисей, на границе между Красноярским краем.В Европейской части России наиболее перспективным является освоение гидропотенциала рек Северного Кавказа, где возможно строительство деривационных ГЭС без затопления значительных территорий и переселения населения. В Сибири возможно строительство новых ГЭС в верховьях Оби и Енисея, а также на Нижней Ангаре. Существуют проектные проработки по строительству одной из крупнейших в мире гидроэлектростанций на реке Нижняя Тунгуска, мощностью не менее 12 ГВт. На Дальнем Востоке возможно сооружение крупных ГЭС на Витиме, Алдане, Учуре, Тимптоне, притоках Амура [6]

Геотермальная энергетика, основана на преобразовании тепла, излучаемого поверхностью земли, как в местах выброса геотермальных вод (сейсмически опасные территории), так и в иных регионах нашей планеты. Для использования геотермальных вод используются специальные установки, посредством которых внутреннее тепло земли преобразуется в тепловую и электрическую энергии. Использования теплового насоса позволяет получать тепло из поверхности земли, вне зависимости от места его расположения. Его работа основана на свойствах жидкостей и газов, а также законах термодинамики. Тепловые насосы различаются по мощности и своей конструкции, зависящей от первичного источника энергии, определяющей их тип, это системы: «грунт-вода» и «вода-вода», «воздух-вода» и «грунт-воздух», «вода-воздух» и «воздух-воздух», «фреон-вода» и «фреон-воздух».

Крупнейшая геотермальная электростанция России — Мутновская ГЕОЭС мощностью 50 МВт, среднегодовая выработка около 350 млн кВт·ч. Введена в эксплуатацию в 2001 году, совместно с Верхне-МутновскойГеоЭС обеспечивает около 30 % энергопотребления Центрального энергоузла Камчатки[7]. К сожалению, для России такой вид добыче электроэнергии альтернативным путем не перспективен, так как развиваться на территории РФ не может, поскольку геотермальный потенциал сосредоточен только на Дальнем Востоке! Да и в целом такая технология получения электроэнергии не везде возможна на нашей планете. Геотермальных источников не так много. Успешностью такого проекта может похвастаться только Исландия, поскольку геотермальные источники там находятся повсеместно, чем и питает почти всю страну!

Еще одним необычным способом добычи энергии является биотопливо. Виды биотоплива различаются по способам его получения, его агрегатному состоянию (жидкое, твердое, газообразное) и видам использования. Объединяющим все виды биотоплива показателем, служит то, что основой для их производства служат органические продукты, посредством переработки которых получается электрическая и тепловая энергии. Твердые виды биотоплива — это дрова, топливные брикеты или пеллеты, газообразные – это биогаз и биоводород, а жидкие – биоэтанол, биометанол, биобутанол, диметиловый эфир и биодизель. На данным момент в России биоэнергетика развита слабо. Обладая колоссальными биоэнергетическим потенциалом, мы на данным момент не задумываемся о таком способе добыче электроэнергии[8].

Это все альтернативные способы получения электроэнергии, которые получили жизнь в виде проектов или организации. Но каждый день в мире находят все новые и новые источники энергии.

Вирусы. Учёные из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли пару лет назад обнаружили вирус, способный создавать электроэнергию за счёт деформации модифицированных материалов. Такие свойства проявили безвредные вирусы-бактериофаги M13[9].

Генератор микроволн — амбициозный проект британского инженера Роберта Шоера, предлагающий полностью отказаться от привычного топлива космических аппаратов. Резонирующие микроволны гипотетически должны создавать мощную реактивную тягу, при этом попутно опровергая третий закон Ньютона. Работает система или является шарлатанством, пока неясно[9].

ВЫВОД ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЫ

Плюсы и минусы использования

Как у каждого конкретного источника энергии, вне зависимости от того, к какому типу он относится, традиционному или альтернативному, свойственны относящееся именно к нему достоинства и недостатки использования. Кроме этого, в каждой группе энергоресурсов свойственны общие плисы и минусы. Для альтернативных источников, к таковым относятся: Плюсами использования являются: Возобновляемость альтернативных источников энергии; Экологическая безопасность; Доступность и возможность использования в широком спектре применения; Низкая себестоимость энергии, получаемой в результате преобразования. Минусы использования: Высокая стоимость оборудования и значительные материальные затраты на этапах строительства и монтажа; Низкий КПД установок; Зависимость от внешних факторов, как-то: погодные условия, сила ветра и т.д.; Относительно не большая установленная мощность генерирующих установок, за исключением гидроэлектростанций.

В нашей стране, как и во многих технически развитых странах мира, использованию альтернативных источников энергии уделяется особое внимание. Это обусловлено большими территориями, на которых и в настоящее время нет централизованных источников энергии, а также общемировой тенденцией, связанной с борьбой за экологию планеты и экономией традиционных видов топлива. В разных регионах страны получили развитие разные виды альтернативной энергетики. По моему мнению, Альтернативные источники тока только находят свое место в современной энергетике. Это очень перспективный путь получения электроэнергии

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Орлов В. А. Малогабаритные источники тока. -2изд.-М.1970
2. Статья-ресурс «Интернет» Какие бывают источники тока? //https://odinelectric.ru/elektrosnabzhenie/vidy-istochnikov-electricheskogo-toka(дата обращения 10.10.2020)
3. МитиоКаку Физика будущего / Пер. с англ. – 6-е изд.-М.:Альпина нон-фикшн, 2018.-584 с.
4. Статья-ресурс «Интернет» Крупнейшие СЭС России // https://russos.livejournal.com/1453259 (дата обращения 10.10.2020)
5. Статья-ресурс «Интернет» Список ветряных электростанций России // https://ru.wikipedia.org/wiki/Список_ветряных_электростанций_России

(дата обращения 12.10.2020)

6. Статья-ресурс «Интернет» Список крупнейших ГЭС РФ // https://www.kommersant.ru/doc/1225173 (дата обращения 12.10.2020)
7. Статья-ресурс «Интернет» Геотермальные электростанции РФ // https://www.c-o-k.ru/articles/geotermalnye-elektrostancii-rossii (дата обращения 12.10.2020)
8. Статья-ресурс «Интернет» Биотопливо как альтернативный источник тока // https://cyberleninka.ru/article/n/biotoplivo-kak-alternativnyy-istochnik-energii (дата обращения 12.10.2020)
9. Статья-ресурс «Интернет» 10 лучших альтернативных источников энергии // https://www.popmech.ru/technologies/176861-10-luchshikh-alternativnykh-istochnikov-energii (дата обращения 12.10.2020)