Областной этап Всероссийского заочного конкурса научно-исследовательских, изобретательских и творческих работ Юность. Наука

Вид материала

Конкурс

Содержание Экономия топлива Скорость ветра Себестоимость электроэнергии Другие экономические проблемы Ветер: простые решения Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения Солнце: органические солнечные батареи Потенциал использования энергии волн Использование приливной энергии за рубежом Волны: энергия океана

Подобный материал:

• Задачи «про цены» формулы простых и сложных процентов. Задачи егэ, 393.65kb.
• Образовательная программа творческого и научно-технического развития детей и молодежи, 129.47kb.
• В оргкомитет Всероссийского открытого конкурса научно-исследовательских, проектных, 1706.86kb.
• Муниципальный этап Всероссийского детско-юношеского литературно-художественного конкурса, 104.07kb.
• Примите участие в конкурсе научно-исследовательских работ в области информатики и информационных, 42.34kb.
• Положение об окружном конкурсе исследовательских работ обучающихся «Старт в науку»,, 100.38kb.
• Национальное Достояние России, во Всероссийском открытом конкурс, 27.97kb.
• Положение о региональном этапе Всероссийского конкурса творческих работ на тему сказок, 39.97kb.
• Справка по итогам работы XIV районной научно-практической конференции «юность. Наука., 228.64kb.
• Положение о проведении ежегодного Всероссийского конкурса творческих работ «Экодизайн», 41.18kb.

Перспективы:

Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты.

Мощность высотных потоков ветра (на высотах 7-14 км) примерно в 10-15 раз выше, чем у приземных. Эти потоки обладают постоянством, почти не меняясь в течение года. Возможно использование потоков, расположенных даже над густонаселёнными территориями (например — городами), без ущерба для хозяйственной деятельности.

• Правительством Канады установлена цель к 2015 году производить 10 % электроэнергии из энергии ветра.
  
• Германия планирует к 2020 году производить 20 % электроэнергии из энергии ветра.
  
• Европейским Союзом установлена цель: к 2010 году установить 40 тыс. МВт ветрогенераторов, а к 2020 году — 180 тыс. МВт.
  
• В Испании к 2011 году будет установлено 20 тыс. МВт ветрогенераторов.
  
• В Китае принят Национальный План Развития. Планируется, что установленные мощности Китая должны вырасти до 5 тыс. МВт к 2010 году и до 30 тыс. МВт к 2020 году.
  
• Индия к 2012 году увеличит свои ветряные мощности в 4 раза в сравнении с 2005 годом. К 2012 году будет построено 12 тыс. МВт новых ветряных электростанций.
  
• Новая Зеландия планирует производить из энергии ветра 20 % электроэнергии.
  
• Великобритания планирует производить из энергии ветра 10 % электроэнергии к 2010 году.
  
• Египет — к 2010 году установить 850 МВт новых ветрогенераторов.
  
• Япония планирует к 2010 — 2011 году увеличить мощности своих ветряных электростанций до 3000 МВт.
  

Международное Энергетическое Агентство (International Energy Agency) IEA прогнозирует, что к 2030 году спрос на ветрогенерацию составит 4800 гигаватт.

Экономические аспекты ветроэнергетики

Экономия топлива:

Ветряные генераторы практически не потребляют ископаемого топлива. Работа ветрогенератора мощностью 1 МВт за 20 лет эксплуатации позволяет сэкономить примерно 29 тыс. тонн угля или 92 тыс. баррелей нефти.

Скорость ветра	Себестоимость (для США, 2004 год)
7,16 м/c	4,8 цента/кВт·час
8,08 м/с	3,6 цента/кВт·час
9,32 м/с	2,6 цента/кВт·час

Себестоимость электроэнергии:

Себестоимость электричества, производимого ветрогенераторами, зависит от скорости ветра.


Для сравнения: себестоимость электричества, производимого на угольных электростанциях США, 4,5—6 цента/кВт·час. Средняя стоимость электричества в Китае 4 цента/кВт·час.

При удвоении установленных мощностей ветрогенерации себестоимость производимого электричества падает на 15 %. Ожидалось, что себестоимость снизится на 35—40 % к концу 2006 г. В начале 80-х годов стоимость ветряного электричества в США составляла $0,38.

Другие экономические проблемы:

В
Лопасти ветрогенератора на строительной площадке
етроэнергетика является нерегулируемым источником энергии. Выработка ветроэлектростанции зависит от силы ветра — фактора, отличающегося большим непостоянством. Соответственно, выдача электроэнергии с ветрогенератора в энергосистему отличается большой неравномерностью как в суточном, так и в недельном, месячном, годовом и многолетнем разрезе. Учитывая, что энергосистема сама имеет неоднородности нагрузки (пики и провалы энергопотребления), регулировать которые ветроэнергетика, естественно, не может, введение значительной доли ветроэнергетики в энергосистему способствует её дестабилизации. Понятно, что ветроэнергетика требует резерва мощности в энергосистеме (например, в виде газотурбинных электростанций), а также механизмов сглаживания неоднородности их выработки (в виде ГЭС или ГАЭС). Данная особенность ветроэнергетики существенно удорожает получаемую от них электроэнергию. Энергосистемы с большой неохотой подключают ветрогенераторы к энергосетям, что привело к появлению законодательных актов, обязующих их это делать.

Ветер: простые решения

К
Конвертер для зоны слабых ветров регулирует

напряжение от генератора так,

чтобы оно соответствовало напряжению батареи

ак это работает. У небольших ветряков все устроено просто: ветер крутит турбину, от нее вращается генератор, а тот выдает переменный ток. Однако скорость ветра изменчива, так что меняется и напряжение на выходе. Напряжение может упасть до такого уровня, при котором невозможно заряжать батареи или питать сеть потребителей. Энди Найт, профессор электротехнического факультета в университете Альберты, и руководимая им группа исследователей предложили новую схему, при которой энергию ветряка можно накапливать даже при относительно спокойной погоде. В устройстве Найта переменный ток проходит через выпрямитель, где превращается в постоянный, которым заряжается 12-вольтовый аккумулятор. Поскольку батарея не может заряжаться при напряжении меньше ее собственного, разработчики включили в схему особый контроллер – он отслеживает частоту переменного тока, приходящего от генератора. Если напряжение оказывается слишком низким, контроллер подает команду на переключатель, и зарядка прекращается, пока напряжение не достигнет 12В. Коммутатор преобразователя размыкает и замыкает цепь примерно тысячу раз в секунду. Постоянно подстраивая соотношение открытой и закрытой фазы, это устройство способно с высокой точностью регулировать напряжение.

Экономический эффект: Использование такого контроллера может оказаться решающим для тех регионов, которые находятся на границе зоны сильных ветров, то есть там, где средняя сила ветра не достигает 18 км/ч. Испытания показали, что эта система способна повысить энергоотдачу небольшого ветряка на 50%. Это значит, что ветряк диаметром 2 м может давать в день 24 кВтч электроэнергии. Суточное энергопотребление среднего американского дома составляет 35 киловатт/часов.

Детали: Контроллер и преобразователь содержат меньше электронных компонентов, чем аналогичные устройства «ветряных ферм» промышленного масштаба. Конструкция разработана так, чтобы можно было легко наладить производство таких недорогих «примочек» ко всем автономным ветрогенераторам.

Возражения. Если вы решили поставить у себя даже небольшой ветряк, не забудьте, что он должен располагаться на открытом месте, подставляясь под ветер с любого направления.

Солнечная энергетика

Солнечная энергетика — направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует возобновляемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов. Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии.

Солнечная энергетика в России ещё находится в стадии становления. Однако в странах Европы, США, Канаде, Японии и даже Китае солнечная энергетика содержится на государственной основе, официально финансируется, за счёт чего происходят постоянные улучшения фотоэлементов солнечных батарей и технологии поглощения солнечной радиации.


Солнечная радиация (кВт∙час/м²∙день)

Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения:

• Получение электроэнергии с помощью фотоэлементов.
  
• Преобразование солнечной энергии в электричество с помощью тепловых машин:
  
  • паровые машины (поршневые или турбинные), использующие водяной пар, углекислый газ, пропан, бутан;
    
  • двигатель Стирлинга и т.д.
    
• Гелиотермальная энергетика - нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи и последующее распределение и использование тепла (фокусирование солнечного излучения на сосуде с водой для последующего использования нагретой воды в отоплении или в паровых электрогенераторах).
  
• Термовоздушные электростанции (преобразование солнечной энергии в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор).
  
• Солнечные аэростатные электростанции (генерация водяного пара внутри баллона аэростата за счет нагрева солнечным излучением поверхности аэростата, покрытой селективно-поглощающим покрытием). Преимущество — запаса пара в баллоне достаточно для работы электростанции в темное время суток и в ненастную погоду.
  

Достоинства солнечной энергетики:

• Общедоступность и неисчерпаемость источника.
  
• Т
  Солнечные фотоэлементы на крышах домов (США)
  еоретически, полная безопасность для окружающей среды, хотя существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить характеристику отражательной способности земной поверхности и привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно).
  

Солнце: органические солнечные батареи

Похоже, солнечные батареи готовы тесно срастись с нашим бытом. Элементы на основе органических молекул получились такими легкими и тонкими, что скоро вы сможете запитать ваш карманный плеер прямо от рукава собственной ветровки.

Как это работает: Как в органических солнечных элементах, так и в традиционных кремниевых, полупроводниковый материал поглощает фотоны света. Под воздействием энергии фотонов происходит возбуждение электронов и их движение к границе элемента, где они попадают в контакт с металлом, обычно медью. Этот проводник отводит ток туда, где он нужен, скажем, к моторчику или контактам аккумулятора. Если кремниевые батареи состоят из неорганических веществ, таких как медный сплав, галлий и кремний, то в составе органических солнечных элементов преобладают атомы углерода, водорода и кислорода. Исследовательская группа под руководством Бернарда Киппелена, профессора Центра органической фотоники и электроники в Институте технологии штата Джорджия, смогла объединить пленку из органического вещества, названного «пентацен», с наночастицами фуллерена С60, называемого за свою форму buckyball («маркерный ш
Органические солнечные элементы, превращая солнечную энергию в электричество, способны питать током небольшие индивидуальные электронные устройства.
арик»). В результате получился новый светочувствительный полупроводник, способный с 1 см² выдавать энергию в 3 милливатта.

Сроки: Через два-три года органические солнечные элементы будут применяться для питания таких маломощных устройств, как бирки радиочастотной идентификации (RFID). Что касается питания ноутбуков и мобильных телефонов, то здесь придется подождать лет 5–10.

Экономический эффект: Органические материалы легко совместимы с пластиковой подложкой. Как говорит Киппелин, «в перспективе их можно будет печатать, как газеты, на ролевых печатных машинах». А поскольку эти элементы получились тонкими и гибкими – толщина пленки 50 нм, – ими можно покрывать стенки палатки или элементы одежды, запитывая от них небольшие персональные электронные устройства, – например мобильные телефоны.

Детали: Технология кремниевых фотоэлементов отработана уже весьма хорошо, а вот наука об органических полупроводниковых пленках пока еще только в зародыше.

Возражения: Кремниевые солнечные элементы достигают КПД примерно 15%. Сегодня эффективность органических элементов не превышает 3–5%. Но если удастся наладить массовое производство таких материалов, любые поверхности можно будет превратить в собиратели солнечной энергии.


Энергия волн

Энергия волн — энергия, переносимая волнами на поверхности океана. Может использоваться для совершения полезной работы — генерации электроэнергии, опреснения воды и перекачки воды в резервуары. Энергия волн — возобновляемый источник энергии.

Мощность волнения оценивают в кВт на погонный метр, то есть в кВт/м. По сравнению с ветровой и солнечной энергией энергия волн обладает гораздо большей удельной мощностью. Так, средняя мощность волнения морей и океанов, как правило, превышает 15 кВт/м. При высоте волн в 2 м мощность достигает 80 кВт/м. То есть, при освоении поверхности океанов не может быть нехватки энергии. Конечно, в механическую и электрическую энергию можно использовать только часть мощности волнения, но для воды коэффициент преобразования выше, чем для воздуха — до 85 %.

Волновая энергия представляет собой сконцентрированную энергию ветра и, в конечном итоге, солнечной энергии. Мощность, полученная от волнения всех океанов планеты, не может быть больше мощности, получаемой от Солнца. Но удельная мощность электрогенераторов, работающих от волн, может быть гораздо большей, чем для других альтернативных источников энергии.

Несмотря на схожую природу, энергию волн принято отличать от энергии приливов и океанских течений. Выработка электроэнергии с использованием энергии волн не является распространенной практикой, в настоящее время в этой сфере проводятся только экспериментальные исследования.

Потенциал использования энергии волн:

Энергия морских волн значительно выше энергии приливов, и может быть использована значительно шире, чем приливная. Страны с большой протяженностью побережья и постоянными сильными ветрами, такие как Великобритания и Ирландия, могут генерировать до 5 % требуемой электроэнергии за счет энергии волн. В частности в Великобритании построен волновой генератор Oyster (электрогенератор). Избыток генерируемой энергии (общая проблема всех непостоянных источников энергии) может быть использована для других целей.

Основной задачей получения электроэнергии из морских волн — это преобразование движения вверх-вниз во вращательное для передачи непосредственно на вал электрогенератора с минимальным количеством промежуточных преобразований, при этом желательно, чтобы большая часть оборудования находилась на суше для простоты обслуживания. Недавно выдан Российский патент на механизм, позволяющий преобразовывать движения качания поплавка на волнах с любой амплитудой во вращение. Выходной вал устройства вращается как от движения поплавка вниз, так и вверх. Механизм, находящийся на берегу, соединяется с поплавком штангой. Кроме того, механизмы можно секционировать на общий вал для получения большей суммарной мощности.

Приливная электростанция

Приливная электростанция (ПЭС) — особый вид гидроэлектростанции, использующий энергию приливов, а фактически кинетическую энергию вращения Земли. Приливные электростанции строят на берегах морей, где гравитационные силы Луны и Солнца дважды в сутки изменяют уровень воды. Колебания уровня воды у берега могут достигать 13 метров.

Существует мнение, что работа приливных электростанций тормозит вращение Земли, что может привести к негативным экологическим последствиям. Однако ввиду колоссальной массы Земли влияние приливных электростанций пренебрежимо мало. Энергия вращения Земли (~1029 Дж) настолько велика, что работа приливных станций суммарной мощностью 1000 ГВт будет увеличивать длительность суток лишь на ~10−14 секунды в год, что на 9 порядков меньше естественного приливного торможения (~2×10−5 сек. в год).

Для получения энергии залив или устье реки перекрывают плотиной, в которой установлены гидроагрегаты, которые могут работать как в режиме генератора, так и в режиме насоса (для перекачки воды в водохранилище для последующей работы в отсутствие приливов и отливов). В последнем случае они называются гидроаккумулирующая электростанция.

В России c 1968 года действует экспериментальная ПЭС в Кислой губе на побережье Баренцева моря. На 2009 год её мощность составляет 1,7 МВт. На этапе проектирования находится Северная ПЭС мощностью 12 МВт. В советское время были разработаны проекты строительства ПЭС в Мезенской губе (мощность 11 000 МВт) на Белом море, Пенжинской губе и Тугурском заливе (мощностью 8000 МВт) на Охотском море, в настоящее время статус этих проектов неизвестен, за исключением Мезенской ПЭС, включённой в проект РАО «ЕЭС». Пенжинская ПЭС могла бы стать самой мощной электростанцией в мире — проектная мощность 87 ГВт.

Использование приливной энергии за рубежом:

Существуют ПЭС и за рубежом — во Франции, Великобритании, Канаде, Китае, Индии, США и других странах. ПЭС «Ля Ранс», имеет самую большую в мире плотину, ее длина составляет 800 м. Плотина также служит мостом, по которому проходит высокоскоростная трасса, соединяющая города Святого Мало и Динард. Мощность станции составляет 240 МВт, в Норвегии - ПЭС Хаммерфест, в Канаде - ПЭС Аннаполис.

П
Крупнейшая в мире приливная электростанция Ля Ранс, Франция
реимуществами ПЭС является экологичность и низкая себестоимость производства энергии. Недостатками — высокая стоимость строительства и изменяющаяся в течение суток мощность, из-за чего ПЭС может работать только в составе энергосистемы, располагающей достаточной мощностью электростанций других типов.

Волны: энергия океана

В океанских волнах скрыто столько энергии, что с лихвой хватило бы для освещения множества огромных городов. Осталось только придумать, как ее извлечь. Как это работает. Линейный генератор на постоянных магнитах представляет собой цепочку постоянных магнитов на 4-метровом стержне. Эта конструкция привязана к якорю, лежащему на глубине около 30 метров. Охватывающая стержень медная катушка заключена в «поплавок», то есть в стеклопластиковый буй, который вместе с волнами гуляет вверх и вниз. Катушка при движении пересекает линии магнитного поля, и в ней возникает электрический ток. Основанный на этом принципе 100-киловаттный генератор был разработан Анеттой фон Жоанн и Аланом Уоллесом, профессорами электротехнической школы в университете штата Орегон. В отличие от прежних конструкций, в которых использовался принцип гидравлических или пневматических насосов, данный принцип обещает КПД вплоть до 90 процентов.

Сроки. Меньше чем через пять лет поля из таких буев смогут питать энергией жилища и промышленные предприятия.

Э
В волновом электрогенераторе непосредственного привода движение волн перемещает медную катушку через магнитное поле, благодаря чему возбуждается электрический ток.

кономический эффект. По словам фон Жоанн, энергия волн имеет существенные преимущества перед другими видами возобновляемых источников, к примеру, перед ветром. Поведение волн более предсказуемо, а плотность энергии в них в 50 раз выше, чем в ветре. Переменное напряжение от сети буев можно подать на единый коммутационный блок, преобразовать в постоянный ток, повысив напряжение до 12 000 вольт, и отправить на берег, где вспомогательная подстанция снова преобразует его в переменный ток. Прототип имеет 5 метров в диаметре, но тот же принцип можно использовать и в более скромных масштабах. К примеру, если такой агрегат встроить в судовую якорную систему, на стоянках он мог бы питать энергией бортовую электронику.

Детали: Будущим летом прототип будет подвергнут испытаниям на природе. Тогда мы увидим, способен ли он выдержать атаку коррозии, штормов и просто непрерывной качки.

Возражения: Один буй или пять сотен – разница. Чтобы организовать прибрежную буйковую электростанцию, потребуется согласование с Орегонским отделом рыболовства и охраны природы или Федеральной комиссией по регулированию в области энергетики. Считая орегонское побережье «лакомым кусочком для получения энергии из морских волн», фон Жоанн признает, что это буйковое поле может повлиять на жизнь океана, в частности на миграцию китов. Не исключено также, что будут задеты интересы местных рыбаков.


На пороге 21 века мы уже трезво отдаем себе отчет в реальностях третьего тысячелетия. К сожалению, запасы нефти, газа, угля отнюдь не бесконечны. Природе, чтобы создать эти запасы, потребовались миллионы лет, израсходованы они будут за сотни. Сегодня в мире стали всерьез задумываться над тем, как не допустить хищнического разграбления земных богатств. Ведь лишь при этом условии запасов топлива может хватить на века. К сожалению, многие нефтедобывающие страны живут сегодняшним днем. Они нещадно расходуют подаренные им природой нефтяные запасы. Сейчас многие из этих стран, особенно в районе Персидского залива, буквально купаются в деньгах, не задумываясь, что через несколько десятков лет эти запасы иссякнут. Что же произойдет тогда, а это рано или поздно случится, когда месторождения нефти и газа будут исчерпаны? Вероятность скорого истощения мировых запасов топлива, а также ухудшение экологической ситуации в мире, (переработка нефти и довольно частые аварии во время ее транспортировки представляют реальную угрозу для окружающей среды) заставили задуматься о других видах топлива, способных заменить нефть и газ.

В моей работе приводятся выводы по использованию нетрадиционных источников энергии, которые станут выходом из данной проблемы.


Литература (использованные источники сведений):


1. В.Володин, П.Хазановский "Энергия, век двадцать первый".


2. А.Голдин "Океаны энергии".


3. Л.С. Юдасин "Энергетика: проблемы и надежды".


4. ссылка скрыта.


5. at.onru.ru/ref/op/8585/.