Наукова робота. Способи отримання і споживання енергії

Роботу виконали:
Іленда Анна і Гищак Іван,
учні 5 класу,
Павлівського НВК «Загальноосвітній
навчальний заклад І-ІІІ ступенів –
дошкільний навчальний заклад»
Снігурівської районної ради
Миколаївської області

Науковий керівник:
Свідерко Анна Василівна
учитель фізики
Павлівського НВК «Загальноосвітній
навчальний заклад І-ІІІ ступенів –
дошкільний навчальний заклад»
Снігурівської районної ради
Миколаївської області
лауреатка IV Всеукраїнського Інтернет-конкурсу
„УЧИТЕЛЬ РОКУ–2019” за версією
науково-популярного природничого журналу
„КОЛОСОК” у номінації „Фізика і астрономія”

Вступ

Вітерець, вітер, вітрище, вітрисько, буревій…
Он скільки вітрів є у нас!

Одним з перших стабільних джерел енергії, освоєних людиною, був вітер. Завдяки вітру відбулися великі географічні відкриття, людство одержало можливість подорожувати, зрошувати поля, молоти зерно і, нарешті, воно навчилося перетворювати вітер у чисту енергію у вигляді електрики.

Силу вітру цінували і вміли використовувати з давніх часів у багатьох країнах. І хоч на суші енергію вітру ніколи не використовували так широко, як на морі, проте напевне відомо про існування вітряних коліс за тисячі років до нашої ери. Наприклад, у районі Олександрії збереглися залишки вітряних млинів, яким не менше трьох тисяч років. Вавилонці використовували їх для осушення боліт, у Єгипті, на Близькому Сході, у Персії будували вітряні водопідйомники і млини.

Вітряний млин працею багатьох поколінь удосконалювався і набув більш знайомий нам вигляд. Він виявився істотно простішим водяного, значно дешевшим. Основний його недолік полягав у мінливості енергоносія – вітру.

До середини 30-х років XX століття світове співтовариство вже мало у своєму розпорядженні аеродинамічні профілі високої якості для лопатей вітроколіс, установки, в яких можна було продувати різні моделі ВЕУ, ряд наукових закладів, в яких розроблялися й удосконалювалися методи розрахунку і проектування ВЕС, що було гарною основою для розвитку світової вітротехніки.

Розділ 1. Енергетична ситуація в країні

1.1.    Проблема енергозбереження.

Наша планета не така й велика. Ця істина стала очевидною для людства не дуже давно. Багато хто усвідомив, що і природні ресурси Землі, які здавалися такими багатими, насправді є вичерпними. У гонитві за благами цивілізації сучасне покоління забуває про тих, хто буде жити після нас. Сьогодні дедалі частіше лунають попередження щодо необхідності охорони довкілля та раціонального використання природних ресурсів, людство всього світу реагує на них адекватно.

Природні ресурси використовуються як у промисловості так і у побуті. Україна має надзвичайно неефективну енергоємну промисловість. Наприклад, для отримання 1 т. цементу ми витрачаємо 274 кг умовного палива, а японці – 142 кг. Питомі затрати енергії у чорній металургії Японії на 20-30 % нижчі, ніж у нас, причому, як не парадоксально – головним чином за рахунок впровадження таких передових технологій, як безперервна розливка сталі, сухе гасіння коксу, утилізація тепла газів доменних печей. Ці технології були розроблені у нас, японці придбали ліцензії на їх застосування і мають від цього вигоду, а у вітчизняній металургії вони майже не запроваджені. [2, с.4-6]

У загальній проблемі енергозбереження важливе місце посідає економія електроенергії. З одного боку ми скаржимося на високі ціни на електроенергію, а з іншого – практично не докладаємо ніяких зусиль, щоб берегти її. У вечірній час у наших домівках горить безліч електричних лампочок навіть тоді, коли уся родина збирається біля телевізора. Якщо б кожен поставив за мету вимикати світло у пустій кімнаті, то у масштабах країни економія була б відчутною. Але і цим проблема не вичерпується. Надзвичайно багато енергії споживає наша побутова техніка. [3]

Впровадження заходів із енергозбереження є надзвичайно важливим і актуальним завданням. Однак розгортати роботу в цьому напрямку потрібно вдумливо, аби не нанести ще більшої шкоди екології. Зокрема, говорячи про сучасну землеобробну техніку, слід знати, що вона хоч і більш економна, але землеробство із використанням таких машин розраховане на внесення величезної кількості мінеральних добрив та хімічних препаратів, якими буквально поливають поля. А це, безперечно, не є корисним ні для природи, ні для людини.

Проблема енергозбереження особливо актуальна для України, оскільки ми залежимо від постачання енергоносіїв з інших країн. Тому економія у поєднанні з одночасним переходом на використання місцевих ресурсів, як, наприклад, вітер, може принести непоганий результат.

На сьогоднішній час в усьому світі відбувається загострення екологічної ситуації, яке зумовлене зростанням енергопостачання, виснаженням непоновлювальних природних ресурсів, забрудненням навколишнього середовища викидами енергетичних виробництв. [6]

Найбільшими споживачами електроенергії у комунально-побутовому господарстві є житлові будинки. В середині будинку споживання становить приблизно 900 кВт*год на рік.

Середнє споживання електроенергії побутовими приладами (із розрахунку на сім’ю з 4 чоловік) наведено в таблиці 1.

Таблиця 1

Отже, потреба у енергії стає більшою. Електростанції працюють із повним навантаженням, особливо напружено – в осінньо-зимовий період року у годинник найбільшого споживання електроенергії: з 8.00 до 10.00 і з 17.00 до 21.00. У пустих приміщеннях горять електричні лампи, безцільно працюють конфорки електроплит, світяться екрани телевізорів та комп’ютерів та ін. Встановлено, що 15-20% споживаної у побуті електроенергії пропадає через не бережливість споживачів. [11]

Простота і доступність електроенергії породили в багатьох людей уявлення про невичерпність наших енергетичних ресурсів, притупили почуття необхідності її економії.

1.2. Енергоощадні прилади та засоби.

Заощаджувати енергію має людство загалом і кожна людина зокрема. Тому ми повинні не тільки самі навчитися раціонально використовувати енергію, але й навчити цього оточуючих. Адже: «Добрий господар – це бережливий господар».

Сонце і вітер замість вугілля… Норвезькі вчені підрахували, що якщо людство вироблятиме вдвічі більше енергії за допомогою альтернативних джерел, то до 2050 року кількість шкідливих викидів в атмосферу залишиться на сьогоднішньому рівні. До такого висновку прийшли фахівці з енергетики Томас Гіббон і Едгар Хертвіх з Норвезького університету природничих і технічних наук в Тронхеймі.

Для спорудження сонячних батарей, вітрогенераторів і гідроелектростанцій потрібно багато міді та заліза. Незважаючи на високе споживання цих матеріалів, нові технології значно випереджають традиційні способи виробництва енергії за допомогою вугілля і газу. До того ж, коли мова йде про захист навколишнього середовища, альтернативні джерела опиняються у виграші.

На основі даних з Міжнародного енергетичного агентства (IEA) учені підрахували споживання ресурсів різних типів електростанцій та їх вплив на екологію. При цьому вони врахували технологічні новинки у виробництві енергії та видобутку сировини, а також з’ясували, що за кількістю споживаного заліза, алюмінію і бетону у розрахунку кілограм на кіловат на годину, енергія вітру, води і сонця програють вугіллю і газу.

Незважаючи на цей недолік, з точки зору екологічності альтернативні джерела енергії більш ефективні. Фахівці взяли в розрахунок викиди парникових газів і дрібнодисперсного пилу, перенасичення поживними речовинами води і площа займаних традиційними електростанціями територій. Виявилося, що простіше і дешевше спочатку використовувати альтернативні джерела енергії, ніж спалювати газ і вугілля, а потім ліквідувати завдані екології збиток.

Розділ 2. Енергія вітру

2.1. Будова та принцип дії вітряків

Вітряне колесо — найважливіша частина вітрогенератора. Саме воно перетворює енергію вітру в механічну. І від його конструкції залежить вибір всіх інших вузлів, наприклад, генератора електричного струму.

Напевно, всім добре знайома форма вітряних коліс старовинних вітряків. Це як раз той випадок-виняток, коли все забуте старе не завжди добре. Такі вітроколеса вітряка мають дуже низький КВЕВ(коефіцієнт використання енергії вітру) порядку 0,10-0,15, що набагато менше КВЕВ сучасних швидкохідних крильчастих коліс, який досягає 0,46. Все тому, що низькі пізнання в аеродинаміці старовинних майстрів не дозволяли їм сконструювати досконалішу конструкцію.

На малюнку зображено робота двох типів лопатей: вітрильної (1) і крильчатої (2). Для того щоб зробити вітрильну лопать (1), досить просто прикріпити листовий матеріал до осі, розташувавши під кутом до вітру, тобто за аналогією з вітряними млинами давнини. Але при обертанні такої лопаті вона буде мати значний аеродинамічний опір, який зростає із збільшенням кута атаки. Також на її кінцях утворюються завихрення, і за лопаттю виникає зона зниженого тиску. Все це робить вітрильні лопаті неефективними вітровими рушіями.

Порівняння роботи лопатей при парусній (1) і крильчатій (2) формі

Набагато ефективнішою є лопать крильчатого типу (2). При такій формі лопаті, яка схожа на крило літака, втрати від тертя і розрідження зведені до мінімуму. Що стосується кута атаки лопаті, то на практиці встановлено, що найбільш оптимальний кут становить 10-12º. При більшому куті атаки приріст потужності в результаті більш високого тиску вітру на лопать не покривається ростом аеродинамічних втрат.

Звичайно, є багато інших цікавих типів вітрових двигунів, наприклад, вертикально-осьові ротори Савоніуса або ротори Дар’є. Але всі вони мають більш низькі КВЕВ при більш високій матеріаломісткості (у порівнянні з крильчаті колесами). Наприклад, установка з ротором Савоніуса діаметром 2 метри і висотою 2 метри при тихому вітрі 4 м/с матиме корисну потужність 20 Вт Таку ж потужність виробить шістнадцатилопатний крильчатий гвинт діаметром всього 1 метр.

Тип вітряного двигуна, де використовуються лопаті крильчатого типу з горизонтальною віссю обертання, має максимальний КВЕВ при мінімальній витраті матеріалів. Не дивно, що така конструкція використовується майже в 99% всіх діючих промислових вітрових електростанціях.

2.2 Екологічний проект « ˶Вітрячки ̋ для побуту»

Ціль проекту: формування екологічної свідомості у людей та спрямування його на практичну реалізацію, виховання до рідного краю, природи, готовності до діяльності щодо її охорони.

Адреса проведення проекту: миколаївська область, Снігурівський район, с. Павлівка.

Опис цільових груп, які отримали результати втілення проекту: учні Павлівського НВК.

Кількість учасників проекту: 2 учні.

Керівник проекту: учитель фізики Свідерко Анна Василівна.

Етапи роботи над проектом:

Підготовчий:

1. Визначення теми і мети проекту.

1.1 Розробка і формулювання підтем.

1.2 Планування роботи над проектом (пропонуються джерела і способи одержання інформації).

2. Пошук, накопичення, систематизація і опрацювання інформації.

3. Реалізація проекту ( створення вітряка, проведення досліду з вироблення енергії).

4. Оформлення результатів.

5. Звіт про роботу.

Наша діяльність

1. В грудні ми були активними учасниками Тижня енергозбереження в школі, що проходив під гаслом: «Добрий господар – це бережливий господар».
2. У нашій школі щорічно проходять заходи, щодо енергозбереження. Це і позакласні заходи з фізики та інформатики, відкриті інтегровані уроки, семінари, лекції для громади села, анкетування жителів с. Павлівка, презентації альтернативних джерел енергії. Завдяки такій роботі (дослідницькій та просвітницькій) колективу учнів та учителів школи вдалося виграти Грант на впровадження заходів з енергозбереження.
3. Під час цьогорічного Тижня енергозбереження ми:

А) по-перше, проводили анкетування серед учнів 5 та 8 класів, щодо економії електроенергії у власному будинку;

Б) по-друге, підрахували витрачені кошти та електроенергію за рік у домівках учнів 1-4 класів;

В) по-третє, проаналізували тижневі покази лічильників та витрачені кошти в будинках учителів Павлівського НВК. (додаток 1)

4. За результатами анкетувань ми вирішили хоч трішки зекономити електроенергію в наших домівках, застосовуючи альтернативні джерела енергії. Для цього взяли: вольтметр, 6 пластикових стаканів (0,5 л), електродвигун та вал з дитячого авто, дві дощечки круглої та квадратної форми, 4 шт. з’єднувальних проводів, шурупи, телефон, usb-кабель і створили вітряк. Дослідити енергію вітру за допомогою власноруч створеного вітряка можна.
5. Ми провели дослідження: кожен день вимірювали швидкість вітру і знімали покази вольтметра. Записали вимірювання у порівняльну таблицю. Для проведення досліджень підіймалися на висоту 7 м.
6. З результатів проведених дослідів можна зробити висновок: якщо зробити вітряк більших розмірів та з більшими лопатями і поставити його на криту терасу на висоті і з більшими поривами вітру, то можна навіть зарядити телефон. Під час нашого досліду лампочка з кишенькового ліхтарика прикріплена до вітряка постійно горіла. Для нічного часу на вулиці – це гарний помічник.

Висновки

Проблема розумного використання енергії є найактуальнішою проблемою сьогодення, тому потрібно залучати до вивчення проблеми енергозбереження учнів, вчителів, батьків, громадськість. В нашій місцевості можна застосовувати саме такі альтернативні джерела енергії – як енергію вітру. Хоча вітер – помічник примхливий, тому що швидко і постійно змінює свій напрямок  і ця проблема довгий час заважала використовувати його силу, та за допомогою примітивного важеля лопаті завжди будуть підставлені вітру.

Додатки

Додаток 1

Народні прислів’я, приказки та примовки про ощадливість та бережливість.

• Зернятко до зернятки – буде повний колос.
• Де один грибок, там цілий візок.
• Колос до колоса – і сніп збереться.
• Велике дерево з насіння росте.
• Зеренце до зеренця і буде мірка.
• У доброго хазяїна у соломинка не пропаде.
• Сніп до снопа – то й буде копа.
• Хто малого не шанує, той і великого не варт.
• Жолудь який малий, а з нього дуб великий.
• Малий гвинтик велику машину спинить.
• Горнець маленький, та великий засік подужає.
• Де оком не побачиш, там кишенею доплатиш.

Фото 1

Фото 2

Фото 3

Фото 4, 5

Зображення міфілогічного володаря вітрів – Еола

Література

1. Проблема енергозбереження в Україні http://www.e-news.com.ua/print/37506.html
2. Мовчан Я. Екологічна політика України: міжнародний аспект//Світ у долонях. – 1997 №2(4) – с.4-6
3. Сучасні методи та підходи до енергозбереження://zodchestvo.info/elektrooborudovanie/suchasni-metodi-ta-pidkhodi-do-energozberezhennya
4. Державний комітет України з енергозбереження.ЕКОНОМІЯ ТЕПЛОВОЇ ЕНЕРГІЇ: http://necin.com.ua/pobutoviy-sektor/31-ekonomya-teplovoyi-energyi.html
5. Скрипник О.О. Енергозбереження на уроках фізики. Матеріали до уроків, розробки уроків фізики з досвіду роботи вчителя / О.О. Скрипник. – Х.: Вид. група “Основа”, 2012. – 126 с. – (Б-ка журн. “Фізика в школах України”; Вип. 11 (107)).
6. В.С.Албул. Теплові двигуни й проблеми екології. Узагальнююче заняття в 10 класі. Фізика в школах України, № 19 (95) жовтень 2007 р.
7. Л.А.Скляр. Кількість теплоти, що виділяється в провіднику. Проблеми енергозбереження. Урок у 8 класі. Фізика в школах України, № 3 (79), лютий 2007 р.
8. Дніпренко В.І., Зубарева О.Д., Ковальчук О.М., Смин З.В. Інноваційні технології навчання на основі міжпредметних зв’язків математики і фізики (інтегровані уроки). Фізика в школах України .№ 13-14 (липень) 2007р.
9. Нечипорук Б., Нечипорук Н. Джерела світла. Фізика в школах України. № 23 (грудень) 2007р.
10. Бородіна В.П., Романенко І.С. Проблеми пошуку, розвитку та використання нових, екологічно чистих джерел енергії. Розвиток енергетики в Україні .Фізика в школах України № 11-12 (червень) 2007р.
11. Енергозбереження для всіх і кожного http://eco.eremurus.org/pages/viewpage.action?pageId=10223646
12. http://energetika.in.ua/
13. Праховник А. В., Іншеков Є. М. Дешко В. І., Стрелкова Г. Г., Фірсов Л. Ф., Мельников О. В. Енергозбереження та пом’якшення змін клімату: Посібник з пом’якшення змін клімату і раціонального використання енергії та ресурсів для учнів загальноосвітніх навчальних закладів. — К. — 2008. — 120 с.
14. http://necin.com.ua/ Державний комітет України з енергозбереження. /Сонце і вітер замість вугілля/

Редакція може не поділяти думку авторів і не несе відповідальність за достовірність інформації. Будь-який передрук матеріалів з сайту може здійснюватись лише при наявності активного гіперпосилання на e-kolosok.org, а також на сам матеріал!