Исследовательская работа по физикеСоздание модели экологически чистого источника энергии


МУНИЦИПАЛЬНЫЙ ЭТАП ВСЕРОССИЙСКОГО ДЕТСКОГО КОНКУРСА НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ И ТВОРЧЕСКИХ РАБОТ
«ПЕРВЫЕ ШАГИ В НАУКЕ»
Секция ТЕХНОЛОГИЯ И ТЕХНИЧЕСКОЕ ТВОРЧЕСТВО
Создание модели экологически чистого источника энергии
Исследовательская работа
Выполнена учеником
7 класса МБОУ «СОШ №12 с УИОП»
г. Старый Оскол, Белгородской области
Куркиным Антоном
Научный руководитель:
учитель физики
МБОУ «СОШ №12 с УИОП»
г. Старый Оскол, Белгородской области
Брызгунова Ирина Николаевна
Место выполнения работы:
Муниципальное бюджетное
общеобразовательное учреждение
«Средняя общеобразовательная
школа № 12 с углубленным изучением
отдельных предметов», г.Старый Оскол
Старый Оскол, 2018 г.
ОГЛАВЛЕНИЕ
1.Введение…………………………………………………..стр. 3
2.Основная часть…………………………………………....стр.5
3.Солнечные коллекторы…………………………………..стр.8
4.Практическая часть……………………………………….стр.9
5.Заключение………………………………………………..стр.12
6.Список используемых источников………………………стр.13
ВВЕДЕНИЕ
«Мир достаточно велик, чтобы удовлетворить
нужды любого человека,
но слишком мал, чтобы удовлетворить
людскую жадность.»
(Махатма Ганди)
Наша удобная и современная жизнь является данной благодаря техническим инновациям, которые были созданы человеческим разумом, и все они требуют питания: энергии, без которой в них не будет смысла.
Целью исследования является:
Разработать модель плоского коллектора для преобразования солнечной энергии в тепловую;
Задачи
Сравнить наиболее распространенные источники энергии их преимущества и недостатки;
Рассмотреть существующие виды коллекторов ;
Описать возможности и способы применения коллекторов;
Собрать собственную модель плоского коллектора;
Рассчитать возможности установки;
Рассмотреть перспективы и возможности использования в Белгородской области.
Объект: преобразования солнечной энергии в тепловую.
Предмет: модель плоского коллектора.
В ходе работы над проектом предполагается применить следующие методы: сбор информации, ее статистическая обработка и интерпретация, работа с литературными источниками.
Актуальность
Проблема истощения запасов топлива и загрязнения окружающей среды в современном мире привлекают всё больше внимания. Эта работа создана для того, чтобы продемонстрировать не дорогой, эффективный и «чистый» способ получения энергии в Белгородской области.
С развитием технологий увеличивается потребление энергии. Но всему есть свой предел, и энергия на нашей планете не бесконечна. Люди уже используют природные элементы, геотермальную, гидроэнергию и т.д., но многие из этих источников, так или иначе используют энергия Солнца: уголь, нефть, газ это не что иное, как «законсервированная» солнечная энергия. Энергия рек и горных водопадов происходит от Солнца, которое поддерживает кругооборот воды на Земле.
Но так солнечная энергия используется косвенно, через многие преобразования. Намного продуктивнее было бы использовать её напрямую от Солнца. Ведь всего за три дня от Солнца на Землю посылается столько энергии, сколько её содержится во всех разведанных источниках ископаемого топлива.
В этой работе мной будет представлен способ преобразования солнечной энергии в тепловую. Исторически люди пользуются эти методом с тех пор, как начали строить жилища. В основе моей работы лежит изобретение М. де Соссюра – «теплица» - которое уже более 2 веков находится своё применение в различных областях.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Современные исследования показали, что в мире существует 3 основных вида источника энергии:
ТЭС(62% - доля в мировом производстве энергии)
Преимущества
Недостатки
Быстро строится Используются невозобновимые ресурсы
Нет угрозы для здоровья человека при повреждении и разрушении Даёт много отходов
Возможность расположения повсеместно Энергия дорогая, т.к. для работы необходимо большое количество рабочих
Работает на всех видах топлива Режим работы меняется медленно
Загрязнение окружающей среды
Сложная замена составных частей при неисправностях
Тепло в трубах сохраняется на протяжении 20-30 км и в больших городах требуется несколько станций
ГЭС(20%)
Преимущества Недостатки
Использует неисчерпаемые ресурсы Длительное и дорогое строительство (10 лет)
Используется гидро потенциал быстрых рек Строительство сопровождается затоплением площадей и плодородных земель, деревень, городов, переселением людей
В комплексе самая дешёвая энергия Меняет режим рек
Влияет на климат
Быстро загрязняется, накапливаются отходы, после использования вода становится «мёртвой»
Рабочие элементы больших размеров и происходит медленная и дорогая замена при их неисправности.
АЭС(17%)
Преимущества Недостатки
Относительно дешевая энергия Опасность для жизни людей в виде радиации и ужасные последствия при авариях;
Малое количество рабочих сил Удаленное расположение от населенных пунктов
Небольшие размеры станций Сложное устранение неисправностей из-за большой радиации
ВЫВОД: По данным таблиц можно сделать вывод, что все современные виды станций по выработке энергии нацелены на максимальную выработку за час/единицу топлива, тем самым не обращают внимание на значительные загрязнения окружающей среды при их использовании и особенно при неисправности.
Гелиоэнергетика
Один из самых старинных и применяемых методов использования солнечной энергии – это метод преобразования теплового излучения Солнца. Ещё древние люди осознавали, как можно использовать солнечную энергию:
Дистилляция воды: представляет собой закрытый резервуар с соленой или загрязненной водой, накрытый наклонным листом из стекла или пластмассы. Дно резервуара окрашено в черный цвет, для того, чтобы лучше собирать тепло. Солнечная радиация проникает сквозь крышку и способствует испарению воды. Вода конденсируется на нижней стороне крышки (которая охлаждается воздухом с внешней стороны) и стекает по наклонной плоскости в желоб или трубу. Вода после этой очистки отличается качеством, в ней нет мин. Веществ, но содержание бактерий, пестицидов и удобрений снижается на 75-99%
Солнечные печи: представляют собой поверхность из отражающего материала, которая концентрирует солнечные лучи вместе приготовления. Температура в таких приспособлениях может достигать около 200 Со. Бывают двух видов: ящичные печи и зеркальные отражатели. Использовать их рациональнее около экваториальных странах, т.к. энергия солнечного света там наибольшая.
Солнечные коллекторы
При преобразовании солнечной энергии нужно добиться её наибольшей концентрации на 1м2. Для этого создаются различные виды коллекторов. Любой коллектор представляет собой систему пластин и труб черного цвета, для лучшего поглощения солнечных лучей, сверху устанавливается стекло или прозрачный пластик, для отражения лучей внутри системы. Чтобы максимизировать количество теплоты, устанавливается такая система на юг более 50о под углом к горизонту.
Принцип работы преобразователя прост: солнечный свет свободно проходит через стекло и нагревает пластины и трубки с рабочей жидкостью, превращаясь в тепловую энергию, которая наполовину возвращается стеклом обратно в систему. Температура внутри системы повышается до тех пор, пока не установится равновесие между энергией, поступающей в форме видимого света, и тепловой энергией, излучаемой в инфракрасной области:
Eвидим. падающая=Eинфракр. излуч.
КПД современных коллекторов:
Тип коллектора КПД 
Плоский солнечный коллектор 72-75
Вакуумный солнечный коллектор с тепловыми трубками 60-65
Пластиковый солнечный коллектор 50-60
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
На основе современных коллекторов я собрал модель плоского коллектора , которая состоит из:
Каркасная система из деревянных и ДСП пластин, покрашенных в черный цвет для достижения наилучшей поглощающей способности.
Стекло, которым накрыт каркас для того, чтобы возвращать отраженное излучение. Это повышает КПД и минимизирует потери солнечного света.
Трубки, по которым течёт рабочая жидкость. Они также черного цвета для увеличения, поглощающей способности.
Рабочая жидкость – вода. Именно ей передается тепловая энергия, излучаемая солнцем.
Вместо солнечного света я использовал излучение 200Вт электрической лампы накаливания. Учитывая, что светимость солнца составляет 4*10^26 Вт, то соотношение мощностей лампы и Солнца равно 3*10^23.
При проведении испытаний на данной установке я получил:
Номер опыта Время нахождения жидкости в системе, с Начальная температура-t1, С0 Конечная температура-t2, С0 Изменения температуры-Δt,С0
1 60 23 32 9
2 60 23 32 9
3 60 23 33 10
4 60 23 34 11
5 60 23 35 12
6 60 23 36 13
7 60 23 36 13
По формулам расчета я вычислил среднее КПД модели, которое равно 25%.
Преимущества Недостатки
Относительно недорогая установка и использование Для большого количества энергии требуется большая территория под солнечный коллектор (некоторые виды)
Мобильность (нет особых требований при размещении) Перегрев
Высокие показатели КПД Экологичность Для обслуживания необходимо небольшое количество персонала Легкая замена составных частей при неисправностях Гелиоэнергетика(>1%)
Вывод: Как видно при использовании солнечной энергии сохраняется постоянство окружающей среды при относительно равных показателях выходной энергии.
Применение солнечной энергетики в Белгородской области
В нашем регионе многие люди имеют дачи, загородные дома и т.п., в особенности пенсионеры. И большинство горожан теплых полгода в году становятся увлеченными дачниками, перебираясь в свой уютно-желанный уголок земли и предпочитая его городскому комфорту. Хотянаслаждение летом на дачном участке намного приятнее, чем в мегаполисе,удобств городской квартиры в цветочно-садово-ягодном оазисе все-таки нехватает.Для того, чтобы скрасить своё прибивание на даче нужно установить самую простую систему - солнечный коллектор без давления - используется для горячего водоснабжения в загородных домах и на дачах при положительных температурах окружающей среды и при первых заморозках, не нуждаясь в насосе для продвижения потока воды, так как устанавливается выше точки разбора воды: на крыше. Вакуумные трубки сделаны из высококачественного, сверхпрочного боросиликатного стекла, что обеспечивает защиту их от града и механических повреждений.
Высокая температура воды в баке при полном отсутствии солнечного света поддерживается до 72 часов за счет того, что между внешним и внутренним слоями бака используется современный высокоэффективный теплоизолирующий материал - пенополиуретан.
Электронагреватель,  установленный  в баке для воды, включается, когда для подогрева воды недостаточно солнечной энергии.
Автоматическую работу системы обеспечивает Контроллер-микрокомпьютер,  который  без участия человека регулирует заполнение бака водой, включает электронагреватель при недостаточности солнечного тепла для нагрева воды.
Компания Тип системы Цена (без учёта доставки)
«Русская инженерная компания» Солнечный коллектор для дачи
12 500 руб.
ООО «Бизон» Солнечная станция 800*
100 000 руб.
ООО «ЭКОМОТОРС» Комплект солнечных панелей АСЭ «Санни про»*
82 500 руб.
ООО «ЭКОМОТОРС» Вакуумные солнечные коллекторы 24 000 руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Я рассказал лишь о малой части альтернативных источников энергии. С каждым днём люди, заботящиеся о природе, находят новые способы её сохранения. Установки, описанные, мной можно использовать в малоразвитых странах, в деревнях и загородных участках, как дешевый вид энергии, но их выгодно устанавливать и в крупных городах и мегаполисах.
Равновесие, в котором находится планета очень хрупкое, и людям нужно задумываться о переходе к альтернативным источникам энергии.
«Все мы дети одного корабля по имени Земля, значит, пересесть из него просто некуда...»
Антуан де Сент-Экзюпери (1900–1944)
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
http://ru.wikipedia.org/wiki/http://www.ecomuseum.kz/dieret/solar/solar.htmlhttp://aenergy.ru/85http://www.solarhome.ru/biblio/solar/solar_heating_aqua.htm?print=1

Приложенные файлы


Добавить комментарий