Исследовательский проект обучающегося «Перспективы использования альтернативных источников энергии на примере г. Тольятти»

Научно-практическая конференция

«Химия и жизнь-XXI век»

«Перспективы использования альтернативных источников энергии на примере г.о.Тольятти»

Исследовательский проект

Направление «Химия и экология»

Автор:

Кузнецов Александр Иванович,

ученица 11 «Б» МБУ «Школа №70»

г.о. Тольятти Самарской обл.

Научный руководитель:

Танких Светлана Николаевна,

учитель химии высшей категории

МБУ «Школа № 70»

г.о. Тольятти Самарской обл.

Тольятти 2021

Аннотация

В связи с развитием производственных технологий и значительным ухудшением экологической ситуации во многих регионах земного шара, человечество столкнулось с проблемой поиска новых источников энергии.

Актуальность: необходимость поиска альтернативных источников энергии.

Цель: оценка эффективности использования альтернативных источников энергии в условиях г.о. Тольятти.

Объект исследования: альтернативные и наиболее эффективные источники энергии.

Предмет исследования: источник энергии.

Методы исследования: экспериментальные исследования эффективности получаемой энергии из альтернативных источников, путем сравнения двух различных способов выработки энергии.

Научная новизна: впервые был проведён сравнительный анализ двух различных способов получения энергии в условиях г.о. Тольятти.

Теоретическая значимость работы: проанализированы все виды альтернативных источников энергии.

Практическая значимость работы состоит в том, что:

1. Произведен анализ эффективности получаемой энергии из «лежачих полицейских» и энергии из «умной плитки».

2. Выявлен наиболее эффективный способ выработки энергии из проанализированных.

Список ключевых слов: альтернативные источники энергии, «лежащий полицейский», «умная тротуарная плитка».

1. Введение

В связи с развитием производственных технологий и значительным ухудшением экологической ситуации во многих регионах земного шара, человечество столкнулось с проблемой поиска новых источников энергии. С одной стороны, количество добываемой энергии должно быть достаточным для развития производства, науки и коммунально-бытовой сферы, с другой стороны, добыча энергии не должна отрицательно сказываться на окружающей среде. Данная постановка вопроса привела к поиску так называемых альтернативных источников энергии — источников, соответствующих вышеуказанным требованиям. Усилиями мировой науки было обнаружено множество таких источников, на данный момент большинство из них уже используется более или менее широко.

Актуальность: необходимость поиска альтернативных источников энергии.

Цель: оценка эффективности использования альтернативных источников энергии в условиях г.о. Тольятти.

Задачи:

1. Провести литературный обзор альтернативных способов получения энергии с использованием интернет - источников.

2. Выявить наиболее подходящие альтернативные источники энергии для г.о. Тольятти.

3. Экспериментально определить наиболее эффективный способ получения энергии.

4. Предложить варианты использования энергии, получаемой из данных источников.

Объект исследования: альтернативные и наиболее эффективные источники энергии.

Предмет исследования: источник энергии.

Методы исследования: экспериментальные исследования эффективности получаемой энергии из альтернативных источников, путем сравнения двух различных способов выработки энергии.

Научная новизна: впервые был проведён сравнительный анализ двух различных способов получения энергии в условиях г.о. Тольятти.

Теоретическая значимость работы: проанализированы все виды альтернативных источников энергии.

Практическая значимость работы состоит в том, что:

1. Произведен анализ эффективности получаемой энергии из «лежачих полицейских» и энергии из «умной плитки».

2. Выявлен наиболее эффективный способ выработки энергии из проанализированных.

2. Основная часть

2.1. Альтернативные источники энергии

2.1.1. Получение энергии Солнца

Солнце — неиссякаемый и общедоступный энергетический источник. Солнечная энергетика относится к разряду альтернативной. В ясную погоду на один кв. метр Земли поступает в среднем 1000 Ватт.

Преимущества солнечной энергии:

1. Возобновляемость;

2. Доступность;

3. Экологическая чистота;

4. Бесшумность;

5. Инновационные технологии.

Недостатки солнечных источников энергии:

1. Высокая стоимость;

2. Непостоянство;

3. Применение дорогостоящих и редких компонентов.

2.1.2. Получение энергии с помощью гидроэлектростанций

Гидроэлектростанция - электростанция, использующая в качестве источника энергии водных масс в русловых водотоках и приливных движениях.

Преимущества:

1. Гидростанции гибки в управлении;

2. Функционирование ГЭС не сопровождается вредными загрязнениями воздуха;

3. Строительство плотин и образование улучшают судоходство.

Недостатки:

1. Большие капитальные затраты;

2. Вызывают такие экологические проблемы как: затопление больших массивов сельскохозяйственных угодий, плодородных земель.

2.1.3. Энергия ветра

Ветер - абсолютно бесплатный иcтoчник энергии. Его не надо добывать, производить или приобретать. Энергия ветра добывается при помощи специальных ветрогенераторов, которые напоминают по своему виду ветреную мельницу.

Преимущества:

1. Общедоступность;

2. Безопасность для природы и человека;

3. Экономическая выгода.

Недостатки:

1. Высокий стартовый капитал;

2. Отсутствие точных прогнозов.

2.1.4. Энергия геотермальных источников

Геотермальные носители тепловой энергии – это горячие вода и пар, находящиеся близко к земной поверхности в тех местах, где кора имеет наименьшую толщину.

Преимущества:

1. Возобновляемость;

2. Безопасность для природы;

3. Не вызывает парниковый эффект.

Недостатки:

1. При использовании воды с глубоких горизонтов стоит вопрос ее утилизации после использования;

2. постройка станции относительно дорога – это удорожает и стоимость энергии в итоге.

1. 1. 1. Энергия вулканов

Одна из главных разработок в освоении вулканической энергии принадлежит американским исследователям из компаний-инициаторов AltaRock Energy и Davenport Newberry Holdings. «Испытуемым» стал спящий вулкан в штате Орегон. Соленая вода закачивается глубоко в горные породы, температура которых благодаря распаду имеющихся в коре планеты радиоактивных элементов и самой горячей мантии Земли очень высока. При нагреве вода превращается в пар, который подается в турбину, вырабатывающую электроэнергию.

На данный момент существуют лишь две небольшие действующие электростанции подобного типа – во Франции и в Германии. Если американская технология заработает, то, по оценке Геологической службы США, геотермальная энергия потенциально способна обеспечить 50% необходимого стране электричества (сегодня ее вклад составляет лишь 0,3%).

Другой способ использования вулканов для получения энергии предложили в 2009 году исландские исследователи. Рядом с вулканическими недрами они обнаружили подземный резервуар воды с аномально высокой температурой. Супергорячая вода находится где-то на границе между жидкостью и газом и существует только при определенных температуре и давлении.

Ученые могли генерировать нечто подобное в лаборатории, но оказалось, что такая вода встречается и в природе — в недрах земли. Считается, что из воды «критической температуры» можно извлечь в десять раз больше энергии, чем из воды, доведенной до кипения классическим образом [1]

Преимущества:

• Геотермальная энергия относится к экологически чистым источникам и специальные электростанции по ее добыче не требуют огромных площадей;

• Фактическая неисчерпаемость;

• Высокая мощность.

Недостатки:

• Образование твердых отходов;

• Определенное химическое загрязнение воды и почвы;

• Тепловое загрязнение атмосферы;

• Также пар, участвующий в работе геотермальных электростанций, может содержать аммиак, углекислый газ и другие вещества, и при выбросе в атмосферу становиться источником ее загрязнения.

1. 1. 1. Бумажная энергия

Японский производитель электроники Sony разработал и представил на Токийской выставке экологически чистых продуктов био-генератор, способный производить электроэнергию из мелко нарезанной бумаги. Суть процесса заключается в следующем: для выделения целлюлозы (это длинная цепь сахара глюкозы, которая находится в зеленых растениях) необходим гофрированный картон.

Цепь разрывается с помощью ферментов, а образовавшаяся от этого глюкоза подвергается обработке другой группой ферментов, с помощью которых высвобождаются ионы водорода и свободные электроны. Электроны направляются через внешнюю цепь для выработки электроэнергии. Предполагается, что подобная установка в ходе переработки одного листа бумаги размером 210 на 297 мм может выработать около 18 Вт в час (примерно столько же энергии вырабатывают 6 батареек AA).

Метод является экологически чистым: важным достоинством такой «батарейки» является отсутствие металлов и вредных химических соединений. Хотя на данный момент технология еще далека от коммерциализации: электричества вырабатывается достаточно мало – его хватает лишь на питание небольших портативных гаджетов [1].

Преимущества:

• Экологически чистый способ получения энергии (отсутствие металлов и вредных химических соединений);

• Легкодоступность источника.

Недостатки:

• Вырабатывается малое количество энергии;

•  Ионы водорода взрывоопасны.

1. 1. 1. Энергия «Лежачих полицейских»

Концепцию выработки электроэнергии при помощи так называемых «лежачих полицейских» начали реализовывать сначала в Великобритании, затем в Бахрейне, а скоро технология дойдет и до России. Все началось с того, что британский изобретатель Питер Хьюс создал «Генерирующую дорожную рампу» (Electro-Kinetic Road Ramp) для автомобильных дорог. Рампа представляет собой две металлические пластины, немного поднимающиеся над дорогой. Под пластинами заложен электрический генератор, который вырабатывает ток всякий раз, когда автомобиль проезжает через рампу.

В зависимости от веса машины рампа может вырабатывать от 5 до 50 ватт в течение времени, пока автомобиль проезжает рампу. Такие рампы в качестве аккумуляторов способны питать электричеством светофоры и подсвечиваемые дорожные знаки. В Великобритании технология работает уже в нескольких городах. Способ начал распространяться и на другие страны — например, на маленький Бахрейн.

Самое удивительное, что нечто подобное можно будет увидеть и в России. Студент из Тюмени Альберт Бранд предложил такое же решение по уличному освещению на форуме «ВУЗПромЭкспо». По подсчетам разработчика, в день по «лежачим полицейским» в его городе проезжает от 1000 до 1500 машин. За один «наезд» автомобиля по оборудованному электрогенеретором «лежачему полицейскому» будет вырабатываться около 20 ватт электроэнергии, не наносящей вред окружающей среде [1].

Преимущества:

• Снижают риск ДТП;

• Легкодоступность;

• Конструкция удобна в монтаже и установке.

Недостатки:

• Высокий расход топлива;

• Быстро приходят в негодность в процессе эксплуатации;

• Трудность в утилизации.

1. 1. 1. Умная тротуарная плитка

На любую точку одной из оживленных улиц приходится до 50000 шагов в день. Идея использовать пешеходный поток для полезного преобразования шагов в энергию была реализована в продукте, разработанном Лоуренсом Кемболл-Куком, директором британской Pavegen Systems Ltd. Инженер создал тротуарную плитку, генерирующую электроэнергию из кинетической энергии гуляющих пешеходов.

Устройство в инновационной плитке сделано из гибкого водонепроницаемого материала, который при нажатии прогибается примерно на пять миллиметров. Это, в свою очередь, создаёт энергию, которую механизм преобразует в электричество. Накопленные ватты либо сохраняются в литиевом полимерном аккумуляторе, либо сразу идут на освещение автобусных остановок, витрин магазинов и вывесок.

Сама плитка Pavegen считается абсолютно экологически чистой: ее корпус изготовлен из нержавеющей стали специального сорта и переработанного полимера с низким содержанием углерода. Верхняя поверхность изготовлена из использованных шин, благодаря этому плитка обладает прочностью и высокой устойчивостью к истиранию.

Во время проведения летней Олимпиады в Лондоне в 2012 году плитку установили на многих туристических улицах. За две недели удалось получить 20 миллионов джоулей энергии. Этого с избытком хватило для работы уличного освещения британской столицы.

Преимущества:

• Экологичность покрытия;

• Высокая прочность и устойчивость;

• Высокая мощность.

Недостатки:

• Длительные и затруднительные расчёты для нахождения наиболее благоприятных мест, для получения большей энергии;

• Большие затраты.

2.2. Энергия из растений

2.2.1. Технология Plant-e - электричество из растений

1. 1. 1. Электродерево

Суть этого метода состоит в том, что был сконструирован подходящий повышающий преобразователь, система, которая на входе получает ток низкого напряжения, и «накапливает» его, на выходе создавая напряжение более высокое. Созданный преобразователь способен работать с очень малым исходным напряжением — 20 мВ — и выдавать в итоге 1,1 В, чего вполне достаточно для работы некоторых энергоэффективных датчиков. Микросхема, в основе которой лежит этот преобразователь, имеет размер около 130 нм и потребляет каких-то 10 нВт (т.е., одну стомиллионную ватта) энергии. Основную часть времени микросхема проводит в энергосберегающем «спящем» состоянии, бодрствующими в ней остаются только встроенные часы, потребляющие лишь 1 нВт (для сравнения: обычные современные наручные часы требуют в тысячи раз больше). Часы эти один раз в несколько секунд создают электрический импульс, который используется для «пробуждения» всей системы. Конечно, «древесное электричество» никогда не заменит полноценные мощные источники энергии. Однако и недооценивать его не стоит. С развитием современных нанотехнологий и энергосберегающих решений самые разные миниатюрные системы можно будет годами питать, просто воткнув их в ствол — ведя мониторинг состояния воздуха, или, скажем, оснастив леса противопожарными датчиками.

1. 1. 1. Энергия водорослей

Водоросли стали рассматриваться в качестве альтернативного источника энергии относительно недавно, но технология, по мнению экспертов, очень перспективна. Достаточно сказать, что с 1 гектара площади водной поверхности, занятой водорослями, в год можно получать 150 тысяч кубометров биогаза. Это приблизительно равно объёму газа, который выдает небольшая скважина, и достаточно для жизнедеятельности небольшого поселка.

Зеленые водоросли просты в содержании, быстро растут и представлены множеством видов, использующих энергию солнечного света для осуществления фотосинтеза. Всю биомассу, будь то сахара или жиры, можно превратить в биотопливо, чаще всего в биоэтанол и биодизельное топливо. Водоросли — идеальное эко-топливо, потому что растут в водной среде и не требуют земельных ресурсов, обладают высокой продуктивностью и не наносят ущерба окружающей среде.

По оценкам экономистов, к 2018 году глобальный оборот от переработки биомассы морских микроводорослей может составить около 100 млрд долларов. Уже существуют реализованные проекты на «водорослевом» топливе — например, 15-квартирный дом в немецком Гамбурге. Фасады дома покрыты 129 аквариумами с водорослями, служащими единственным источником энергии для отопления и кондиционирования здания, получившего название Bio Intelligent Quotient (BIQ) House [1].

Преимущества:

• Растение потребляет больше CO2, чем выделяют, что способствует дополнительному очищению воздуха;

• Материалы, которые используются в процессе экологически чистые и не оказывают вреда на природу (легко перерабатываются);

• Обладают высокой продуктивностью;

Недостатки:

• Получение энергии нестабильно;

• Создание данных установок может быть затруднительным и длительным процессом;

• Некоторые климатические зоны не подходят для выращивания растительного топлива.

2.3. Практическая часть

2.3.1. Расчёт энергии «лежачих полицейских» в г.о. Тольятти

На примере города Тольятти мы решили оценить эффективность данного альтернативного источника энергии. Как говорилось ранее, суть этого способа получения энергии состоит в том, что на дорогах устанавливаются две металлические пластины, под которыми заложен электрический генератор. Он в свою очередь вырабатывает ток всякий раз, когда автомобиль проезжает через рампу. Поэтому было решено выбрать такие «лежачие полицейские» нашего города, через которые проезжает за сутки наибольшее количество машин. Были выбраны:

1. Лежачий полицейский у торгового центра “Парк Хаус” (см. Приложение рис.1)

2. Лежачий полицейский на выезде с территории Макдональдса (см. Приложение рис. 2)

3. Лежачий полицейский у Научно-Технического Центра АвтоВАЗ.

Алгоритм проведения расчётов:

1. Для начала нужно определить примерное количество энергии, которое будет вырабатываться, когда машина будет проезжать через энергетическую рампу. Это число колеблется от 5 до 50 Ватт в зависимости от веса автомобиля.

2. Далее мы рассчитали примерное количество машин, которое будет проезжать через данные конструкции за сутки. Оно равно 5600; 680; 4200 соответственно.

3. На основании данных произведём расчёт по следующей формуле: , где N – количество энергии, вырабатываемое за сутки, s – количество энергии, вырабатываемое одной машиной, проезжающей через «лежачий полицейский», а k – количество машин, проезжающих через данную конструкцию за сутки.

4. Таким образом, мы получили следующие данные: 168000 Вт; 17000 Вт; 147000 Вт.

Из этого следует, что данного количества энергии достаточно для бесперебойной работы светофоров и неоновых билбордов в течение суток.

2.3.2. Расчёт энергии использования «умной плитки» в г.о. Тольятти

Ещё одним способом получения энергии в г. Тольятти можно считать «умную тротуарную дорогу», которая позволяет преобразовывать энергию от таких действий, как «движение» и «вес», в электроэнергию. Особых усилий для получения энергии прикладывать не нужно. Люди, даже сами этого не замечая, благодаря этой плитке могут вырабатывать достаточное количество чистой энергии, которую потом могут использовать в своих интересах. Однако, прежде всего, нужно проанализировать местность и определить наиболее выгодные места, для установки такой плитки. Чтобы вырабатывать максимальное количество энергии - нужно найти такое место, где скопление людей достигает наибольшего количества. Проанализировав все эти аспекты, мы готовы предложить вам примеры тех мест, где можно использовать «умную тротуарную плитку»:

1. «Умная тротуарная плитка» на территории Парка Победы. (см. Приложение рис.4)

2. Установки плитки при входе около всех крупных торговых центров, школ, колледжей или проходных на заводах. (см. Приложение рис.5)

3. «Умная тротуарная плитка» на территории Филармонии Тольятти. (см. Приложение рис.6)

Алгоритм проведения расчётов:

1. Количество вырабатываемой энергии: так, один шаг на плитку размером 45х60 сантиметров может генерировать около 7 Вт электроэнергии в зависимости от веса человека. 5% выработанного электричества используется на включение подсветки плитки, а 95% отправляется в аккумуляторы либо используется для прочих целей.

2. Примерное количество людей, проходящих по плитке за сутки: 1200; 600; 800 соответственно. Поэтому мы решили, что необходимо установить плитки на входе всех этих мест. По нашим подсчётам количеством плиток получилось: 40; 25; 20 соответственно.

3. Расчёт проведём по следующей формуле: , где L -количество людей, которые проходят по плитке; K - количество умной плитки, Q - генерируемая единица энергии одной плитки. В - мощность.

4. Подставив все данные в формулу, мы получаем: 336000 Вт; 105000Вт; 112000Вт.

Этого более чем достаточно для освещения дорог, бесперебойной работы светофоров и неоновых билбордов в течение суток.

3. Заключение

Работая над проектом, мы сделали следующие выводы:

1. Существует огромное количество альтернативных источников энергии, но, к сожалению, не всегда они являются экологически безопасными;

2. Самыми подходящими альтернативными источниками энергии для города Тольятти являются: получение энергии из «лежачих полицейских» и получение энергии из «умной плитки»;

3. Наиболее эффективным является способ получения энергии из «умной плитки»;

4. Количество получаемой энергии из этих альтернативных источников хватило бы для бесперебойной работы светофоров и неоновых билбордов.

Проведённая работа позволила оценить эффективность использования альтернативных источников энергии в условиях г.о. Тольятти.

Библиографический список

1. http://zvt.abok.ru/articles/467/Alternativnie_istochniki_energii

2. https://www.syl.ru/article/173209/new_geotermalnaya-energiya-plyusyi-i-minusyi-geotermalnyie-istochniki-energii

3. http://www.bibliotekar.ru/7-solnechnaya-energiya/71.htm

4. https://severnymayak.ru/2018/10/19/sila-vulkanov-kak-teplo-zemli-obespechivaet-lyudej-energiej/

Приложение

Рисунок1

Рисунок2

Рисунок3

Рисунок4

Рисунок5

Рисунок6

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/460048-issledovatelskij-proekt-obuchajuschegosja-per