Исследовательская (творческая) работа на тему: "Комплекс по получению энергии альтернативными способами"

Комплекс по получению энергии альтернативными способами.

Блохин Павел Андреевич

Российская Федерация, Тюменская область, город Заводоуковск

МАОУ «Заводоуковская средняя общеобразовательная школа №2» 9 класс.

Аннотация

Современные наиболее используемые источники электроэнергии это гидро-тепло- и атомные электростанции, но они не экологичны. Альтернативная энергетика, построенная на использовании возобновляемых источников энергии, может стать той путеводной звездой, которая решит проблему экологии и исчерпаемости топливных ресурсов.

Рабочая гипотеза: модель комплекса «три в одном», включающая солнечную, ветреную электростанции и биогазовую установку будут способны вырабатывать электрическую энергию, которую можно будет использовать в бытовых нуждах.

Целью проекта является создание модели комплекса по выработке электроэнергии, на основе альтернативных источников энергии,  который будет включать в себя: модель солнечной, ветряной электростанции и биогазовую установку.

Объект исследования: энергия – её источники и потребители.

Предмет исследования: альтернативные источники энергии, в частности солнце, ветер, биогаз.

Задачи проекта:

1. Выяснить какие существуют источники энергии в наше время.

2. Изучить преимущества альтернативных источников энергии: солнечные батареи, ветро- и биоэнергетику.

3. Создать модель комплекса по выработке электроэнергии альтернативными способами.

4. Рассчитать количество вырабатываемой электроэнергии моделью комплекса.

5. Раскрыть преимущества использования альтернативных источников энергии на примере свиноводческого комплекса «Согласие».

Методы исследования:

1.      Теоретический (анализ источников информации, беседа, обработка информации, анализ экспериментальных данных).

2.      Практический (конструирование и сборка модели, составление таблиц, наблюдение, опыт, эксперимент, фотографирование, презентация).

Данный исследовательский проект посвящен альтернативным источникам энергии XXI века. В проекте отражена идея создания модели комплекса «три в одном», рассчитано количество электроэнергии, вырабатываемое моделью комплекса, раскрыты преимущества использования альтернативных источников энергии.

Комплекс по получению энергии альтернативными способами.

Блохин Павел Андреевич

Российская Федерация, Тюменская область, город Заводоуковск

МАОУ «Заводоуковская средняя общеобразовательная школа №2» 9 класс.

Научная статья

Современный период развития человечества иногда характеризуют через: энергетику, экономику, экологию. Энергетика в этом ряду занимает особое место. Она является определяющей и для экономики, и для экологии. От нее в решающей мере зависит экономический потенциал государств и благосостояние людей. Она же оказывает наиболее сильное воздействие на окружающую среду. Самые острые экологические проблемы (изменение климата, кислотные осадки, всеобщее загрязнение среды и другие) прямо или косвенно связаны с производством, либо с использованием энергии. Энергетике принадлежит первенство не только в химическом, но и в других видах загрязнения: тепловом, аэрозольном, электромагнитном, радиоактивном. Поэтому не будет преувеличением сказать, что от решения энергетических проблем зависит возможность решения основных экологических проблем. Энергетика - это та отрасль производства, которая развивается невиданно быстрыми темпами. Если численность населения в условиях современного демографического взрыва удваивается за 40-50 лет, то в производстве и потреблении энергии это происходит через каждые 12-15 лет. При таком соотношении темпов роста населения и энергетики, энерговооруженность лавинообразно увеличивается не только в суммарном выражении, но и в расчете на душу населения.

Основные типы электростанций: тепловые, гидравлические, атомные. Очевидно, что каждая станция имеет свои недостатки и достоинства. ТЭС строятся быстро и дешево, но потребляют большое количество топлива, работают в постоянном режиме, но требуют длительной остановки при ремонтах, угольные ТЭС выбрасывают много твердых отходов и вредных газов в атмосферу. Затем, ГЭС строятся дольше, стоят дороже всех типов электростанций. Используют энергию падающей воды, себестоимость электроэнергии минимальна, легко включаются в нужное время, происходит затопление речных долин – особо ценных земель. АЭС строятся долго и стоят дорого, но электроэнергия дешевле, чем на ТЭС, использует уран, требует точности оборудования, квалифицированных работников, при работе без происшествий – воздействие на среду незначительно; требуется захоронение радиоактивных отходов. Очевидно, что эти типы электростанции отрицательно воздействуют на окружающую среду.

Дав поверхностное представление об электроэнергетики и о традиционных источниках ее производства, следует приступить к раскрытию альтернативных источников электроэнергетики.

Альтернативными источниками электроэнергетики называют нетрадиционными, с помощью которых добывают энергию (но небольшую часть, если сравнивать с основными типами электростанций). Ученые предостерегают: разведанных запасов органического топлива при нынешних темпах роста энергопотребления хватит всего на 70-130 лет. Именно такие умозаключения лишний раз подтверждают необходимость скорейшего перехода к альтернативной электроэнергетики. Основные виды альтернативной энергии: солнечная, ветровая, геотермальная, водородная, тепловая энергия океана, энергия приливов и отливов, морских течений. Мы подробнее остановимся на солнечной, ветровой энергиях и биоэнергетике.

Солнечное излучение — экологически чистый и возобновляемый источник энергии. Запасы солнечной энергии огромны. Солнечная энергия легко преобразуется в электрическую с помощью солнечных батарей.  Солнечная батарея-это устройство, использующее солнечный свет для создания электрического тока.

Принцип работы солнечных батарей основан  на явлении внутреннего фотоэффекта.

Полупроводник – это такой материал, в атомах которого либо есть лишние электроны (n-тип), либо наоборот, их не хватает (p-тип). Соответственно, полупроводниковый фотоэлемент состоит из двух слоев с разной проводимостью. В качестве катода используется n-слой, а в качестве анода – p-слой. Лишние электроны из n-слоя могут покидать свои атомы, тогда как p-слой эти электроны захватывает. Именно лучи света «выбивают» электроны из атомов n-слоя, после чего они летят в p-слой занимать пустующие места. Таким способом электроны бегут по кругу, выходя из p-слоя, проходя через нагрузку  и возвращаясь в n-слой. Схема работы фотоэлемента. (Приложение I)

Мощности отдельных фотоэлементов недостаточно, чтобы питать мощные электроприборы. Поэтому их объединяют в электрическую цепь, тем самым формируя солнечную батарею (другое название – солнечная панель). Для защиты от воздействия внешних факторов всю конструкцию покрывают прочным пластиком или закаленным стеклом.[2]

Физико-технические характеристики солнечных батарей

Коэффициент полезного действия сообщается, что в отдельных лабораториях получены солнечные элементы с КПД 44 %. В 2007 году появилась информация, об изобретении российскими учёными (г. Дубна) элементов с КПД 54 %, но эти высокоэффективные панели не могут массово использоваться в виду своей высокой себестоимости, над этой проблемой  работают многие учёные.[3]

Для того, чтобы увеличить выходные параметры (ток, напряжение и мощность) отдельные солнечные элементы соединяются последовательно и параллельно. При последовательном соединении элементов увеличивается выходное напряжение, при параллельном – выходной ток..Таким образом, солнечная батарея состоит из параллельно-последовательно соединенных солнечных элементов. Величина максимально возможного тока, отдаваемого батареей, прямо пропорциональна числу параллельно включенных солнечных элементов, а э.д.с. - последовательно включенных солнечных элементов. Так комбинируя типы соединения, собирают батарею с требуемыми параметрами. [4]Производство солнечных батарей развивается быстрыми темпами и используется в самых разных направлениях: портативная электроника, электромобили, авиация, энергообеспечение зданий, дорожное покрытие, космос. (Приложение IV,V)

Согласно научным данным  в Тюменской области 275 дней в году солнечные; зимой  меньше солнечного света, но если сравнить за год, то получается больше солнца, чем, например, на Северном Кавказе. В связи с этим правительством Тюменской области в 2012  году разработана программа использования солнечных батарей на промышленных предприятиях. В рамках этой программы в Ярковском районе Тюменской области построили электростанцию, которая работает от энергии солнца для частного рыбного хозяйства. Электрическая энергия производится с помощью солнечных батарей и мощность данной электростанции составляет 10 кВт. В зимнее время на предприятии для работы аэраторов потребляется много электрической энергии, а эти устройства, предназначаются для того, чтоб насыщать воду кислородом. Мощности установленных солнечных панелей хватает для обеспечения стабильной работы хозяйства. Применение солнечных батарей на бытовом уровне становится все более популярным.[6]

Достоинства солнечных батарей: экологически безопасны, общедоступный и неисчерпаемый источник энергии, большой срок службы (более 25 лет), не изнашиваются т.к.не имеют движущихся частей, бесшумны.

Недостатки солнечных батарей: высокая стоимость, КПД меньше КПД традиционных источников энергии, метео- и гео- зависимость, поверхность панелей необходимо очищать от пыли, наличие токсичных элементов в изготовлении, что затрудняет утилизацию, требуют большую площадь при размещении. [7] (ПриложениеIII)

Рассмотрев солнечную энергетику, перейдем к изучении ветроэнергетики, которая специализируется на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую, механическую, тепловую или в любую другую форму энергии, удобную для использования в народном хозяйстве. Россия имеет самый большой в мире ветропотенциал, ресурсы ее ветровой энергии определены в 10,7 ГВт.  Благоприятные зоны развития ветроэнергетики - Северо-Западные страны, северные территории Урала, Западной Сибири, Дальний Восток. Технический потенциал энергии ветра оценивается в 50 000млрд кВтч/год, но эти возможности реализованы незначительно. Большое внимание развитию ветроэнергетики придает президент  России В.В.Путин  и кабинет министров во главе с Д.А.Медведевым. В мае 2013г был подписан пакет законодательных актов, обеспечивающих развитие возобновляемых источников энергии. [9]

Принцип работы ветроэлектростанции: ветер вращает лопасти, которые, в свою очередь, приводят в движение ротор. Далее происходит превращение механической энергии в электрическую. (Приложение IV)

В любой ветроустановке обязательно должны быть:

·        ветрогенератор: лопасти, которые вращаются под действием ветра и приводят в движение ротор генератора, который вырабатывает переменный ток;

·        контроллер, управляющий лопастями и преобразующий электричество, идущее от генератора, в постоянный ток, необходимый для зарядки аккумулятора;

·        аккумуляторные батареи, способные накапливать электроэнергию и выравнивать её;

·        инвертор — устройство, превращающее постоянный ток, идущий из аккумулятора, в переменный, от которого светятся лампочки, работают холодильники, телевизоры и другие электроприборы;

·        мачта, поднимающая лопасти как можно выше над поверхностью земли.

Ветрогенераторы имеют физико-технические характеристики:

КПД: коэффициент полезного действия (20-35%) ветрогенераторa

Р – максимальная мощность ветрогенератора100кВт-5МВт

D – диаметр ротора  3-30(м);

V – скорость ветра3-30 (м/сек);

Количество лопастей -3

Высота мачты10-100м

Рабочая температура от -40 до +60 C

КПД ветроэлектростанции  можно рассчитать по формуле:

, где

P-мощность ВЭС

R-радиус ветроколеса

U-скорость ветра

ρ-плотность воздуха

π= 3,14

Разработано большое количество ветрогенераторов. В зависимости от ориентации оси вращения по отношению к направлению потока ветрогенераторы могут быть классифицированы следующим образом:

• с горизонтальной осью вращения, параллельной направлению ветрового потока

• с горизонтальной осью вращения, перпендикулярной направлению ветра (подобные водяному колесу);

• с вертикальной осью вращения, перпендикулярной направлению ветрового потока. [6] (Приложение V)

Ветрогенераторы имеют достоинства и недостатки:

Достоинства.

1.                  Неограниченный ресурс для производства электроэнергии. Он есть везде, бесконечен и экологически чист. Не требует топлива.

2.                  Использование энергии ветра требует затрат главным образом на установку и проведение ежегодных профилактических работ.

3.                  Работает постоянно. Ветряная система регулируется автоматически. Ее не нужно постоянно включать и выключать. В системах автономного электроснабжения электричество запасается на специальных аккумуляторах.

4.                  Ветроэлектростанции могут размещаться в любом регионе земного шара, где есть ветер.

5.                  Увеличение производительности в зимний период. В отличие от солнечных панелей у ветрогенераторов в зимний период производительность не падает, а растет.

6.                  По оценкам GlobalWindEnergyCouncil к 2050 году мировая ветроэнергетика позволит сократить ежегодные выбросы СО₂ на 1,5 миллиарда тонн. [10] Ветроэлектростанции можно устанавливать только в местах с устойчивыми сильными ветрами. Любая преграда может снизить количество ветра или сделать его доступность сезонной.

Недостатки.

1.                  Необходимость профилактического обслуживания. Не реже чем раз в год ветрогенератор следует снимать, разбирать, проверять контакты, проводить замену и смазку.

2.                  Ветроэлектростанции не совсем безвредны: они мешают полетам птиц и насекомых, шумят, отражают радиоволны вращающимися лопастями, создавая помехи приему телепередач в близлежащих населенных пунктах.[8] (Приложение VI)

3.                  ВЭС подвержены воздействию молний. Поэтому на ВЭС должна быть система противопожарной безопасности.

По сравнению с тем огромным ущербом природе, который наносят тепловые электростанции, вред от ветрогенераторов почти незаметен.

К биоэнергетике относится все, что так или иначе связано с получением в промышленных масштабах энергии из различного возобновляемого сырья биологического происхождения. Такое сырье и его производные обычно называют биотопливом. Биотопливо бывает твердым, жидким или газообразным и может изготавливаться из самого разного сырья, такого как:

- древесные отходы, различного происхождения;

- отходы сельскохозяйственного производства (лузга, шелуха, солома, тростник);

- бытовые отходы, канализационные стоки;

- специально выращиваемой топливной древесины и т.д.

Основными источниками российской энергетической биомассы являются:

- органические отходы агропромышленного комплекса с энергосодержанием до 80 млн. тонн угля/год;

- органические отходы лесопромышленного комплекса ;

- отходы городов (сточные воды и твердые бытовые отходы);

- торф;

- энергетические плантации;

- биогазификация остаточной нефти.

Из всего многообразия биотоплива в России наиболее распространенным являются топливные гранулы (пеллеты). Они получается из торфа, древесных отходов и отходов сельского хозяйства. Представляет собой цилиндрические гранулы стандартного размера. Топливные гранулы - экологически чистое топливо с содержанием золы.

Проблемами на пути развития альтернативной энергетики в России являются:

1) Наличие дешевых видов сырья и низкая стоимость его транспортировки, что делает невыгодным производство.

2) Дефицит финансовых ресурсов у потенциальных инвесторов.

3) Высокие сроки окупаемости затрат.

4) Сравнительно небольшие масштабы энергии, производимой альтернативными источниками энергетики, что не позволяет полностью обеспечить спрос на нее.

5) Отсутствие научных разработок, что требует использования зарубежного опыта и закупки оборудования.

6) Отсутствие опыта эксплуатации.

7) Отсутствие культуры использования альтернативных источников энергии.

Изучив преимущества альтернативных источников энергии: солнечные батареи, ветро- и биоэнергетику мы перешли к созданию модели комплекса и расчету количества электроэнергии, вырабатываемой им. Начали с изготовления макета фермы, на крышу поместили каркас для размещения солнечных панелей. Уложили солнечные панели, соединив их последовательно используя диоды  шоттки., в крыше установлен солнечный трекер – комплексная система, следящая за местоположением солнца. Уместилось 16 солнечных панелей размером 115x85x3мм и мощностью 1,5Вт каждая. Рассчитать общее количество электроэнергии вырабатываемой нашими солнечными панелями не составило сложности: 1,5*16=24Вт*час электроэнергии, но на практике при проведении измерений мы получили другие данные, так как выдавать свою паспортную мощность они могут  только при наличие чистого неба и падении солнечных лучей под прямым углом. При падении солнца под углами мощность и выработка электроэнергии заметно падает, и чем острее угол падения солнечных лучей, тем падение мощности больше. В пасмурную погоду мощность солнечных батарей падает в 15-20 раз, даже при лёгких облачках и дымке мощность солнечных батарей падает в 2-3 раза, и это всё надо учитывать. 

Модель ветроэлектростанции мы собрали из деталей конструктора LEGO. Конструктор серии «LEGO Education» №9686 включают различные блоки, направленные на разработку моделей с применением альтернативных источников энергии. Изучили устройство ветроэлектростанции и приступили к конструированию: модель должна состоять из следующих блоков: ветроколесо – генератор. В ходе конструирования выбрали модель ветроэлектростанции с горизонтальной осью вращения, параллельной направлению ветрового потока, которая состоит из следующих частей: ветрогенератор, основание ветрогенератора. Для имитации ветра используется вентилятор. Ветрогенератор состоит из: шестилопастной  турбины (ветроколеса) и генератора. В качестве генератора используется Е-мотор LEGO. При сборке отдельных блоков модели  использованы детали согласно перечню. (Приложение VII)

Техника безопасности.

1.Все детали конструктора лежат в определенной ячейке ящика с деталями. По окончании работы собранная конструкция должна быть разобрана и детали должны быть разложены по своим местам.

2. Сборку модели должен выполнять один человек или с кем-то в паре.

3.Если деталь упала на пол, необходимо сразу же поднять.

4 .Не класть детали в рот.

Сборка  модели ветроэлектростанции«Ventus».

1.    Собрали основную часть модели – ветроколесо, используя технологические карты. Ветроколесо состоит из 6 лопастей и 6 Г-образных балок. В качестве генератора электрической энергии используется Е-мотор LEGO. Шестилопастная турбина (ветроколесо) и генератор соединяются между собой  с помощью силового кабеля и образуют ветрогенератор.

2.    Собрали основание (опору) из балок и пластин различных размеров и конфигураций согласно перечню. Для соединения использовал штифты и втулки разных цветов.

3.    На опоре разместил ветроколесо и генератор.

4.    Ветроколесо и генератор соединяются между собой с помощью силового кабеля. Сила тока, вырабатываемая, ветрогенератором, будет непостоянной т.к. отсутствует инвертор.

В ходе работы изучены физико-технические характеристики модели ветроэлектростанции«Ventus».Диаметр колеса и высота мачты  измерены с помощью линейки.

·         Количество лопастей- 6.

·         Диаметр ветроколеса- 26 см.

·         Высота мачты (основание)- 22,5 см.

Электрические характеристики измерены с помощью прибора мультиметра.

Модель ветроэлектростанции может вырабатывать электрический ток, имеющий следующе характеристики:

·           Сила тока  0,033А

·           Напряжение 4,5В

·           Мощность 0,146 Вт

Измерение КПД модели ветроэлектростанции.

Приборы: линейка, мультиметр.

Данные измерений:

плотность воздуха(таблица)	1,25 кг/м3
скорость ветра(технический паспорт)	5м/с
радиус	0.13м
мощность	0.146 Ватт
КПД	3,65%

КПД  модели ветроэлектростанции«Ventus»  рассчитаем по формуле:

Вывод:  КПД модели ветроэлектростанции  «Ventus»  -3,65%.

В качестве биогазового реактора мы взяли стеклянную колбу, загрузили в нее жидкое биотопливо – свиной навоз в количестве 1 литр, герметично закрыли, подсоединили к колбе газоотводную трубку, которая выводит газ в пакет-газгольдер, поставили в теплое место. Через 25 дней газгольдер был полностью наполнен смесью газов. В результате брожения мы получили выход: из одного литра биотоплива – 8 литров смеси газов.

После создания модели комплекса и расчета электроэнергии, вырабатываемой им, мы обратились в администрацию свиноводческого комплекса «Согласие» для получения информации. В ходе беседы выяснили, какое количество электроэнергии потребляет комплекс за сутки, площадь крыши одной фермы, суточное количество навоза и произвели расчеты конкретно для этого комплекса по количество электроэнергии полученной от альтернативных источников энергии за сутки.

Суточное потребление электроэнергии комплекса «Согласие» - 1200кВт*час.

Площадь крыши одной фермы – 2092,1 м².

Суточное количество навоза – 25 тонн.

Средняя скорость ветра в месте нахождения комплекса «Согласие» - 3м/с.

Возьмем, например, панель солнечной батареи 240Вт размерами 1652x1000x50мм, для покрытия одной крыши фермы нам нужно расчитать, сколько потребуется таких солнечных батарей для этого:

1)      Найдем площадь одной солнечной батареи: S_б=a*b, где S_б -площадь солнечной батареи, a- длина солнечной батареи, b-ширина солнечной батареи.

S_б=1,652*1=1,652м².

2)      Рассчитаем количество солнечных батарей, необходимых для покрытия одной крыши фермы: N=S_ф/S_б, где N – количество солнечных батарей, S_ф – площадь крыш фермы, S_б –площадь солнечной батареи.

N=2092,1/1,652=1266 штук.

3)      Мощность одной солнечной батареи составляет 240Вт, если считать, что световой день длится 7 часов, то суточное количество электроэнергии для одной солнечной батареи составит:

240*7=1680Вт*час электроэнергии, так как таких батарей будет 1266 штук, то

1266*1680=2126880Вт*час=2128,88кВт*час.

Энергию, вырабатываемую ветрогенератором, рассчитаем по формуле:

P = V³•ρ•S, где ρ – плотность воздушных масс, она равна 1,25 кг/м³, V - скорость ветра, а S - площадь сечения турбины, если  радиус равен 2 метра, то S=12,5 м²:

Р=3³*1,25*12,5=421,875Вт=0,421875кВт,  в результате получится примерно 0,4кВт*час, а суточное количество электроэнергии составит: 0,4*24=9,6кВт*час.

Рассчитаем количество тепловой энергии вырабатываемой биореактором: одна тонна свиного навоза дает 65кВт*час тепловой энергии, тогда суточное количество составит: 25*65=1625кВт*час тепловой энергии, которую можно преобразовать в электрическую. Биоудобрения накапливаются в емкости самого биореактора и после завершения процесса брожения их можно использовать как удобрения.

В результате проделанной работы мы выяснили, какие существуют источники энергии в наше время, изучили преимущества альтернативных источников энергии. Подробнее остановились на устройстве и принципе действия: солнечных батарей, ветрогенераторе, биореакторе. Создали модель комплекса «три в одном» по получению энергии альтернативными способами, включающую солнечную, ветреную электростанции и биогазовую установку. Рассчитали количество электроэнергии, вырабатываемое нашей моделью комплекса, и раскрыли преимущества использования альтернативных источников энергии на примере свиноводческого комплекса «Согласие».

Библиографический список

1.                  http://energosberejenie.org/stati/istoriya-sozdaniya-solnechnykh-batarej

2.                  http://vs-t.ru/solnechnye-batarei-kak-eto-rabotaet/

3.                  http://eomhse.narod.ru/sun.htm

4.                  http://electrik.info/main/news/401-kak-ustroeny-i-rabotayut-solnechnye-batarei.html

5.                  http://newsoboz.org/avto/vo-frantsii-postroyat-dorogi-s-vstroennymi-solnechnymi-batareyami-03022016124916

6.                  http://sun-shines.ru/tyumen-region-built-solar-power-plant-for-fisheries/

7.                  http://t4h.ru/razdelyi/sistemyi-otopleniya/stati/solnechnyie-batarei-v-chem-ix-klyuchevyie-preimushhestva-i-nedostatki.html

8.                  http://www.bestreferat.ru/referat-191686.html

9.                  РАВИ. Сборник информации для членов РАВИ)

10.              http://www.adaptive.com.ua/lib/great/7.html