Разработка урока на тему "Альтернативные виды энергии", физика , 11 класс

Приложение 2 АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ — Получение энергии не из ее  традиционных источников (уголь, нефть, сланцы и т. д.), а из возобновляемых)  использующих энергию Солнца, ветра, приливов и отливов, геотермальных источников ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА Ядерная энергетика ­ это отдельная глобальная тема в мировой энергетике. Не секрет, что каждая страна в мире желает обладать данным ресурсом, но все так, же понимают, что это и огромный  риск для  окружающей  среды  в случае  какой либо  аварии  на АЭС. Таким образом, постулат о чистой и безопасной атомной энергии не более чем миф. Выходит, атомная   энергии   не   имеет   долгосрочной   перспективы   из­за   огромной   потенциально опасности и низкой рентабельности. В 70­х годах ядерная энергия стала альтернативой ископаемому топливу. На ядерной  станции проводится контролируемый ядерный распад, выделяется энергия. Недорогое  топливо уравновешивает инвестиции, необходимые для строительства ядерных  электростанций, в результате электричество становится дешевле. Несмотря на  происшествия на электростанции острова Третья миля (шт. Пенсильвания) и в Чернобыле  (Украина), ядерное топливо все еще является хорошим источником энергии для многих  регионов. Энергия атома обеспечивает 16% энергии для 70 стран мира. Атомные  электростанции – первостепенный источник энергии для тех стран, в которых отсутствуют  природные ресурсы ископаемого топлива. Франция и Япония уже частично запустили  ядерные программы. Современные электростанции имеют множество систем безопасности, предотвращающих плавление ядра и выброс радиоактивных веществ. Сейчас единственной  проблемой остается утилизация отработанного топлива, которое может быть использовано  для создания ядерного оружия. Виды альтернативных источников энергии К   ним   можно   отнести   тепло   Земли   (геотермальная   энергия),   энергия   Солнца,   энергия ветра, тепла морей, морских волн и океанов, а также гидроэнергетика: морские приливы и отливы, биогазовые, теплонасосные установки и другие преобразователи энергии. В данном большом выборе лишь возобновляемые источники энергии, могут представлять реальную альтернативу нам традиционным источникам энергии в будущем и в настоящем. привычным     СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ Солнце, как известно, является первичным и основным источником энергии для нашей планеты. Солнце ­ это самый сильный источник энергии. Общее количество солнечной энергии, попадающей на поверхность земли в почти 7 раз больше мирового потребления ресурсов органического топлива. Если человечеству удастся использовать хотя бы 0,5% от всего поступления солнечной энергии, то этого бы хватило, чтобы   восполнить   мировую   потребность   в   энергии   на   несколько   тысячелетий. Преобразование   солнечной   энергии   в   электрическую   имеет   массу   достоинств.   Прежде всего это 100% надежность ­ Солнце от нас никуда не денется по прогнозам ученых еще несколько миллионов лет. Также это чистый и соответственно безопасный для здоровья источник энергии. Конечно данный вид энергии невозможно применять в регионах, в которых в следствие климатических   особенностей   бывает   мало   или   почти   не   бывает   солнечных   дней   (хотя 1 Приложение 2 современные   солнечные   батареи   обладают   свойством   накапливать   энергию). В таком случае можно вести речь об использовании энергии ветра, как отдельного вида, так и вкупе с солнечной энергией.     используют для своей работы солнечное излучение,  Солнечные электростанции   трансформируя его в электрическую энергию. Солнечные энергосистемы могут быть  построены как по схеме с термодинамическим преобразованием энергии солнца, так и по  схеме прямого преобразования последней в электрическую энергию (с помощью  фотоэлементов). В первом случае солнечная радиация сначала превращается в тепловую  энергию и только затем (с помощью теплогенератора) преобразуется в электрическую. Во  втором варианте превращение солнечной энергии в электрическую осуществляется за счёт  электронных свойств фотоэлементов (за счёт использования "фотоэффекта"), т.е.  используются   отнести и так называемые коллекторы, или аккумуляторы тепла, которые подобно  фотоэлементам устанавливаются на крышах зданий и домов. Коллектор представляют  собой конструкцию из соединительных труб и баков, окрашенную в чёрный цвет.  Конструкции с подобным покрытием за счёт интенсивного поглощения ими солнечного  излучения способны нагревать содержащуюся в них воду до 70 градусов по Цельсию.  Причём в солнечную погоду такое нагревание возможно даже при нулевой температуре  окружающего воздуха. При этом количество нагреваемой воды, ее рабочая температура, а  также период накопления тепла зависят только от размеров используемого резервуара.  . К категории солнечных энергонакопителей можно      солнечные модули   ЭНЕРГИЯ ВЕТРА Энергия   ветра   на   земле   неисчерпаема.   Возникновение   ветра   происходит   благодаря неравномерному   распределению   атмосферного   давления.   Из­за   того,   что   атмосферное давление постоянно меняется, меняется и направление, и скорость ветра. Как показала практика и опыт многих стран, использование энергии ветра крайне выгодно, потому, что стоимость ветра равна нулю ­ это во­первых, а во­вторых для ее получения не требуются другие   источники   энергии   кроме   самого   ветра.   На   сегодняшний   день   ветроэнергетика получила огромное распространение, особенно в странах с ограниченными природными ресурсами,   что   привело   их   к   развитию   альтернативных   источников   энергии.   Большое количество   примеров   использования   данной   отрасли   энергетики   можно   наблюдать   в Европе. Отрасль, занимающаяся преобразованием энергии ветра (кинетической энергии) в электрический ток, называется ветроэнергетика. Наиболее популярным на сегодняшний день является  применение  ветрогенераторов. Они широко применяются  как в  крупных масштабах,   это   огромные   электростанции,   так   и   в   малых,   для   частного   пользования. Россия   в   данном   сегменте   рынка   альтернативных   источников   занимает   пока   одно   из последних мест среди равных себе стран при этом имея все неисчерпаемые возможности для рынка.   развития     данного   Ветряные электрогенераторы   преобладает устойчивая ветреная погода. В настоящее время на рынке специального  электрооборудования можно встретить различные модели   различающихся как по мощности, так и по конструктивному исполнению.     широко применяются в тех районах, где в течение года      ветряных электрогенераторов    ,  2 Приложение 2 Термоэлектрические источники электроэнергии были придуманы человеком очень  давно. Ещё во время второй мировой войны советские инженеры разработали первую  модель термогенератора, предназначенного для партизанских отрядов и работающего от  огня костра. В сороковые годы прошлого века выпускались также термогенераторы,  работающие на тепле керосиновой лампы и вырабатывающие электроэнергию, которая  использовалась для работы радиопередатчиков и приёмников. В настоящее время термогенераторы широко применяются на атомных электростанциях.  При этом в ходе нагрева рабочего вещества (воды) и возникновения большой разницы  температур и давлений происходит процесс генерации электричества. Термогенераторы, выпускаемые в наше время для бытовых и промышленных нужд,  представляют собой энергопреобразующие системы, разработанные на базе газовых котлов  или печей медленного горения и рассчитанные на мощность не более 200 Вт. Такие  установки довольно удобны для использования в современных загородных коттеджах,  имеющих газовое отопление и в частных домах с печным отоплением. Следует отметить то, что все перечисленные источники энергии не являются идеальными  сами по себе, и каждый из них имеет свои определённые недостатки. Но любой из этих  источников очень удачно дополняет другие и компенсирует, таким образом, имеющиеся  недостатки остальных систем. К примеру, наблюдая за погодой можно заметить интересную закономерность: при ясной,  безоблачной погоде практически не бывает сильного ветра. И, наоборот, сильный,  порывистый ветер обычно наблюдается в облачные и пасмурные дни. Из этого следует, что  самое разумное на сегодня решение ­ это комбинированное использование солнечных  батарей и "ветряков". При подобной организации альтернативной системы  энергоснабжения заметно повышается её надежность, поскольку вероятность  одновременного выхода из строя обеих составляющих системы крайне мала. Гидроэлектростанции На гидроэлектростанциях для вращения турбин используется энергия падающей воды.  Такой способ получения электричества требует управления потоком воды, к примеру,  рекой, с помощью, например, дамбы. У гидроэлектростанций есть множество преимуществ. Можно сказать, что такой источник – возобновляемый. Генераторы, приводимые в  движение водой, не делают выбросов в атмосферу. Поток воды, контролируемый  гидроэлектростанцией, определяет количество производимого электричества. В мире из  этого источника получают около 20% электричества. Лидируют в использовании  гидроэлектростанций Норвегия, Россия, Китай, Канада, США и Бразилия. Биотопливо Биомассой называют любой вид биологических отходов – отходы деревообрабатывающий  промышленности, сельского хозяйства, мусор, в качестве топлива также используются  некоторые виды зерновых культур. Отходы поставляет промышленность: вырубка леса,  строительство, производство бумаги, фермерские хозяйства, твердый мусор с городских  свалок и метан – газ, вырабатываемый на свалках. Некоторые виды трав после  ферментации также могут быть использованы в качестве биотоплива. Во всем мире  биотопливо – преимущественно это продукты из древесины, сжигается вместе с углем на  3 Приложение 2 теплоэлектростанциях. Биотопливо – основной вариант использования биомассы.  Вырабатываемый в процессе ферментации этанол может быть использован самостоятельно, либо в качестве добавки к бензину. В Бразилии большая часть транспорта заправляется  этанолом. Биодизельное топливо, сделанное из растительного масла, животного жира и  отработанного масла из ресторанов, может полностью заменить обычное дизельное  топливо. Такое топливо также можно использовать в смеси. Самый крупный производитель и потребитель биодизельного топлива – Германия. Несмотря на то, что при сжигании такого топлива выделяется диоксид углерода,  биотопливо считается "углеродно нейтральным". Ископаемое топливо выделяет CO2  миллионы лет, создавая избыток CO2 в атмосфере. CO2, выделяемый биомассой при  сжигании, поглощается растениями. Ископаемое топливо все еще используется в  производстве биотоплива, питая оборудование фермы, приводя в движение грузовики, а  также на других этапах процесса. На данный момент, биотопливо не является полностью  углеродно нейтральным. Это уменьшает общий объем выбросов CO2, что является шагом в  правильном направлении. Геотермальная энергия В геотермальных источниках энергии естественные свойства природных горячих  источников и паровых кратеров используются для получения электричества или  обеспечения жителей горячей водой. Геотермальные электростанции направляют пар,  выходящий из поверхности земли, в турбины. Турбины вращаются, приводя в движение  генераторы, вырабатывающие электричество. Первая паровая электростанция была  открыта в итальянском городе Лардерелло в 1904 г. Она работает по сей день. США,  Исландия, Филиппины, Россия, Кения и Тибет – вот лишь несколько из 24 стран,  использовавших 8900 мегаватт электричества, выработанного геотермальными  источниками в 2005 году. В прямом геотермальном нагреве горячая вода, выходящая на  поверхность земли (горячие источники), используется для обогрева домов и других  построек.   Энергия океана Приливные электростанции вырабатывают энергию c помощью приливных волн залива или  устья реки. Специальная плотина делит область прилива на верхний и нижний бассейн.  Турбины, находящиеся в плотине, вращаются при перемещении воды между бассейнами во  время прилива и отлива. Турбины приводят в движение генератор, который вырабатывает  электричество. Строительство такой электростанции требует значительных затрат, поэтому станция  должна вырабатывать достаточно электроэнергии чтобы окупить инвестиции. Это можно  осуществить там, где между высоким и низким бассейнами расстояние минимум 5 метров.  Меньшее расстояние делает приливную электростанцию экономически невыгодной.  Такому критерию удовлетворяют всего около 40 мест на всей планете. Самая известная  приливная станция – Ля Ранс, находится она в Бретани (Франция). Другие станции  находятся в Новой Шотландии (Канада), России, Китае, Индии и Уэльсе. Электростанция в виде воздушного змея В   спорте   уже   давно   используют   силу   воздушных   змеев,   например   во   время кайтсерфинга.   В   будущем   такие   летательные   устройства   смогут   также   производить 4 Приложение 2 энергию.   Прототип   летающей   ветровой   электростанции   в   настоящее   время   тестирует швейцарская фирма TwingTec. Принцип действия летающего ветрогенератора заключается в следующем: когда змей силой ветра поднимается вверх, разматываются рулевые тросы и приводят в движение две катушки. Они связаны с генератором, вырабатывающим электроэнергию за счет движения. Когда летательный аппарат достигает максимальной высоты, он притягивается назад, и цикл начинается сначала. Процесс притяжения потребляет лишь 5% производимой энергии, так что избыток может затем поступать в электросеть. По   сравнению   с   традиционными   ветровыми   электростанциями   у   метода   есть определенные преимущества: змей достигает больших высот (несколько сотен метров) и там использует для производства энергии более сильный и стабильный ветер. Основатель TwingTec Рольф Луксингер также отмечает, что такая установка очень мобильна. "Всю систему  можно  транспортировать   на фургоне  и подготовить  к  эксплуатации  в  течение часа", ­ говорит Луксингер. Фирма планирует представить на рынке первый, пока что маленький, воздушный змей для   производства   энергии   уже   через   два   года.   Он   будет   способен   обеспечить электроэнергией  45 домохозяйств. Вместе с тем фирма  уже работает и над созданием большого и мощного летающего ветрогенератора Прототип плавающей приливной турбины Относительно недавно испанская компания Magallanes, которая занимается разработкой и созданием приливных турбин серии ATIR, успешно установила первый прототип такой турбины   на   полигоне   Европейского   морского   энергетического   центра   под   названием Shapinsay Sound, который расположен на Оркнейских островах (Шотландия). Прототип   приливной   установки   ATIR,   уменьшенный   десятикратно,   был   сооружен   в рамках   энергетического   проекта   MARINET,   который   финансируется   Европейским Союзом. Система является очередной итерацией концепции, работы над которой ведутся компанией   Magallanes   с   2007   года.   Ранее   испытания   предшествующих   прототипов приливных турбин проводились в испытательных резервуарах, а также на реке. Полноразмерная приливная турбина весит 350 тонн, а ее длина составляет 42 метра. Как утверждает   исполнительный   директор   Magallanes,   новый   тестовый   проект   даст возможность   продемонстрировать   целостность   и   рентабельность   концепции   в   морском климате,   а   также   обеспечить   информацией   для   постройки   полноценной   плавающей платформы мощностью 2 Мегаватта. Установка на микробных топливных элементах Голландские   ученые   из   Университета   Вагенингена   во   главе   с   Марьолин   Хелдер разработали   установку   на   микробных   топливных   элементах,   позволяющую   добывать электричество   из   болота   без   ущерба   для   хрупких   и   уникальных   болотных   экосистем. Учитывая   тот   факт,   что   болотами   покрыто   около   6%   поверхности   Земли,   у   данной технологии есть определенные перспективы. Дело в том, что до 70% органических веществ, которые растения создают в процессе фотосинтеза,   не   находят   применения.   Данные   вещества   выводятся   через   корни   в окружающую среду, после чего их разлагают бактерии, обитающие в почве. Таким образом, 5 Приложение 2 можно   разместить   возле   корней   электроды   для   сбора   электронов,   которые высвобождаются во время разложения органики. Данная технология может применяться и для создания энергетических установок на крышах   зданий.   Согласно   расчетам,   крыша   площадью   около   100   квадратных   метров сможет   ежегодно   генерировать   около   2800   кВт­час   энергии.   Топливные   микробные элементы   генерируют   постоянный   ток   низкого   напряжения,   которым   можно   заряжать аккумуляторные батареи или питать светодиодные светильники.  Также стоит отметить, что технология может работать с разными видами растений, в том числе с сельскохозяйственными культурами. Компания компании Plant­e уже провела первые   тесты   системы,   однако   этап   широкого   коммерческого   внедрения   ожидается   не раньше 2016 года. 6