Альтернативные источники энергии

 

1.1.6. Гидротермальная энергия.

 

В гидротермальной энергии активно используется тепло воды. Вода – это всегда хотя бы несколько градусов тепла, а летом она нагревается до 25 °С. Почему бы не использовать часть этого тепла? Для этого необходима установка, действующая по принципу “холодильник наоборот”. Известно, что холодильник “выкачивает” из своей замкнутой камеры тепло и выбрасывает его в окружающую среду. Если пропускать воду через холодильный аппарат, то у нее тоже можно отбирать тепло. Горячий пар, который образуется в результате теплообмена, конденсируется, его температура поднимается до 110 °С, а затем его можно пускать либо на турбины электростанций, либо на нагревание воды в батареях центрального отопления до 60-65 °С. На каждый киловатт-час затрачиваемой на это энергии природа дает 3 киловатт-часа! По тому же принципу можно получать энергию для кондиционирования воздуха при жаркой погоде.

Подобные установки наиболее эффективны при больших перепадах температур, как, например, в морях: на глубине вода очень холодна – около 4 °С, а на поверхности нагревается до 25 °С, что составляет 20 градусов разницы!

Естественным путем выживания являются максимизация стратегии бережливости в отношениях с окружающим миром и увеличение замкнутости круговорота всех веществ, вовлекаемых в сферу человеческой деятельности.

Тепловые электростанции работают по такому принципу: топливо сжигается в топке парового котла. Выделяющееся при горении тепло испаряет воду, циркулирующую внутри расположенных в котле труб, и перегревает образовавшийся пар. Пар, расширяясь, вращает турбину, а та, в свою очередь, — вал электрического генератора. Затем отработавший пар конденсируется; вода из конденсатора через систему подогревателей возвращается в котел.

 

1.1.7. Водородная энергетика

 

Водород, самый простой и легкий из всех химических элементов, можно считать идеальным топливом. Он имеется всюду, где есть вода. При сжигании водорода образуется вода, которую можно снова разложить на водород и кислород, причем этот процесс не вызывает никакого загрязнения окружающей среды. Водородное пламя не выделяет в атмосферу продуктов, которыми неизбежно сопровождается горение любых других видов топлива: углекислого газа, окиси углерода, сернистого газа, углеводородов, золы, органических перекисей и т.п. Водород обладает очень высокой теплотворной способностью: при сжигании 1 г водорода получается 120 Дж тепловой энергии, а при сжигании 1 г бензина – только 47 Дж.

Водород можно транспортировать и распределять по трубопроводам, как природный газ. Трубопроводный транспорт топлива – самый дешевый способ дальней передачи энергии. К тому же трубопроводы прокладываются под землей, что не нарушает ландшафта. Газопроводы занимают меньше земельной площади, чем воздушные электрические линии. Передача энергии в форме газообразного водорода по трубопроводу диаметром 750 мм на расстояние свыше 80 км обойдется дешевле, чем передача того же количества энергии в форме переменного тока по подземному кабелю. На расстояниях больше 450 км трубопроводный транспорт водорода дешевле, чем использование воздушной линии электропередачи постоянного тока с напряжением 40кВ, а на расстоянии свыше 900 км – дешевле воздушной линии электропередачи переменного тока с напряжением 500 кВ.

Водород – синтетическое топливо. Его можно получать из угля, нефти, природного газа либо путем разложения воды. Согласно оценкам, сегодня в мире производят и потребляют около 20 млн. т водорода в год. Половина этого количества расходуется на производство аммиака и удобрений, а остальное – на удаление серы из газообразного топлива, в металлургии, для гидрогенизации угля и других топлив. В современной экономике водород остается скорее химическим, нежели энергетическим сырьем.

 

1.1.8. Управляемый термоядерный  синтез

 

Управляемый термоядерный синтез (УТС)— синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который, в отличие от взрывного термоядерного синтеза (используемого в термоядерном оружии), носит управляемый характер. Управляемый термоядерный синтез отличается от традиционной ядерной энергетики тем, что в последней используется реакция распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра.

Для переработки термоядерной энергии в электрическую устанавливают термоядерные станции, которые имеют следующие преимущества и недостатки

Преимущества

• Работают на воде.
• Высокий КПД.
• Не дают отходов.
• Неограниченное время работы.

Недостатки

• Очень высокая стоимость строительства.

В настоящее время ученые работают над созданием термоядерных электростанций, преимуществом которых является обеспечение человечества электроэнергией на неограниченное время. Термоядерная электростанция работает на основе термоядерного синтеза — реакции синтеза тяжелых изотопов водорода с образованием гелия и выделением энергии. Реакция термоядерного синтеза не дает газообразных и жидких радиоактивных отходов, не нарабатывает плутоний, который используется для производства ядерного оружия. Если еще учесть, что горючим для термоядерных станций будет тяжелый изотоп водорода дейтерий, который получают из простой воды — в полулитре воды заключена энергия синтеза, эквивалентная той, что получится при сжигании бочки бензина, — то преимущества электростанций, основанных на термоядерной реакции, становятся очевидными.

 

1.1.9. Энергия приливов  и отливов

 

Стратегия оптимальной эксплуатации приливной электростанции (ПЭС) проста: накапливать воду в водохранилище за плотиной во время приливов и расходовать ее на производство электроэнергии, когда наступает “пик потребления” в единых энергосистемах, ослабляя тем самым нагрузку на другие электростанции.

Но на сегодняшний день ПЭС уступает тепловой энергетике, и причина не только в том, что вместо того, чтобы вкладывать миллиарды долларов в сооружение ПЭС, можно купить нефть, газ и уголь, продаваемые развивающимися странами за бесценок… Дело в том, что для сооружения ПЭС даже в наиболее благоприятных для этого точках морского побережья, где перепад уровней воды колеблется от 1-2 до 10-16 метров, потребуются десятилетия, или даже столетия!

Для выработки электроэнергии электростанции такого типа используют энергию прилива. Для устройства простейшей приливной электростанции (ПЭС) нужен бассейн — перекрытый плотиной залив или устье реки. В плотине имеются водопропускные отверстия и установлены турбины, которые вращают генератор. Во время прилива вода поступает в бассейн. Когда уровни воды в бассейне и море сравняются, затворы водопропускных отверстий закрываются. С наступлением отлива уровень воды в море понижается, и, когда напор становится достаточным, турбины и соединенные с ним электрогенераторы начинают работать, а вода из бассейна постепенно уходит. Считается экономически целесообразным строительство ПЭС в районах с приливными колебаниями уровня моря не менее 4 м. Проектная мощность ПЭС зависит от характера прилива в районе строительства станции, от объема и площади приливного бассейна, от числа турбин, установленных в теле плотины.

Но всё же она обладает всеми необходимыми предпосылками, чтобы в будущем стать важнейшей составляющей мировой энергетики, такой, какой сегодня, к примеру,  является природный газ.

Потенциально приливы и отливы могут дать человечеству примерно 70 млн. миллиардов киловатт-часов в год.

Преимущества приливных электростанций

• Не загрязняют атмосферу.
• Не затапливают земли в отличие от ГЭС.
• Стоимость электроэнергии самая дешевая в энергосистеме.
• Нет радиационной опасности.

Недостатки

• Строятся по берегам морей и океанов.
• Нарушают обмен воды.
• Влияют на климат.
• Меняют направление и скорость вод

 

10. Биоэнергетика

 

Наверное, не каждый знает, что самые обычные органические отходы любого сельского подворья — навоз животных, огородная ботва, сорняки и другая  «органика» — в определенных условиях могут стать источником столь необходимого в домашнем хозяйстве горючего газа, который сгодится и для приготовления пищи, и отопления помещения, и получения горячей воды.

Растительная биомасса является первичным источником энергии на Земле. Она образуется при фотосинтезе из диоксида углерода и воды с выделением кислорода.                  Биогаз - это газ, состоящий примерно из 50-70% метана (CH4) и 50-30% углекислого газа (CO2). Он образовывается в процессе анаэробного разложения органических субстратов и  является продуктом обмена веществ бактерий.

Анаэробное брожение - процесс распада органических соединений в условиях отсутствия кислорода.

Кому выгодно строить биогазовую установку?

• Сельскохозяйственным предприятиям.
• Перерабатывающим предприятиям.
• Тепличным хозяйствам.
• Производителям биодизеля.
• Мусороперерабатывающим предприятиям.
• Коммунальным предприятиям городским очистным сооружениям.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1. Схема биогазовой установки

Глава II. Психолого-педагогические особенности изучения альтернативных источников энергии в профильном обучении физике

2.1. Некоторые проблемы  преподавания альтернативных источников  энергии в профильном обучении  физике

 

Базовый курс физики, изучаемый в основной школе, значительно отличается от профильного курса  физики. Поэтому содержание и форма организации занятий в рамках курсов по выбору должны быть направлены на создание особой учебной среды, которая отражала специфику изучения предмета на более высоком уровне в старшей профильной школе.

При профильном обучении учитываются интересы, склонности и способности каждого ученика.

Цель этого нововведения – ликвидировать разрыв между школьным образованием и требованиями вузов, познакомить старшеклассников с реальными потребностями рынка труда, максимально подготовить их к осознанному выбору профессии.

Для выбора будущей профессии школьники должны иметь общее представление о народном хозяйстве нашей страны, об основных перспективах его развития. Выпускники средних школ должны также иметь представление о технике и технологии, применяемы в той или иной  области производства и т.д.

В условиях современного образования, когда развитие ребенка - развитие его творческих способностей становится целью обучения и при повсеместном сокращении числа часов, отведенных на изучение физики в школе, возникает необходимость создания методической системы изучения темы «Альтернативные источники энергии» в профильном обучении физике, которая одновременно отвечала бы современным требованиям, как физики, так и дидактики, учитывая индивидуальные и возрастные особенности учащихся. Методологическую основу исследования составляют общие принципы дидактики и методологические принципы физики, достижения и тенденции развития общей и частной методик физики, теоретические и практические обобщения возрастной психологии.

При реализации профильного обучения в средней (полной) школе значительное внимание уделяется элективным курсам. Элективные курсы выбираются самими учащимися и обязательны для посещения. Набор профильных и элективных учебных предметов позволяет ставить индивидуальную образовательную траекторию для каждого школьника.

Элективные курсы реализуются за счет школьного компонента учебного плана и выполняют несколько функций: дополнять содержание профильного курса, развивать содержание одного из базовых курсов, удовлетворять разнообразные  познавательные интересы школьников, выходящих за рамки выбранного ими профиля. Кроме того, они могут стать полигоном для создания и экспериментальной проверки нового поколения учебно-методических материалов, помочь в решении еще одной важной задачи – создать условия для более осознанного выбора направления дальнейшего обучения, связанного с определенным видом профессиональной деятельности.

Проблема разработки элективных курсов по современной физике, несомненно, актуальна.

Современная физика включает те явления и законы, которые относятся к современному этапу ее развития, те центральные проблемы, над которыми работает в настоящее время сообщениям на семинарах; выступление с рефератом или компьютерной презентацией на учебной конференции [7].

 

2.2. Психолого-методические  особенности изучения темы «Альтернативные  источники энергии»

 

Очевидно, что необходимые навыки нужно развивать в школе, причем делать это целенаправленно. Именно в этом плане роль физики, как учебного предмета становится неоценимой.

При ее изучении необходимы навыки абстрактного мышления, умения анализа и прогноза, которые в силу психологических особенностей данного возраста являются весьма сложными. Поэтому именно в начале обучения важно не оттолкнуть учащихся, а привлечь их интересы [4].

Физика описывает фундаментальные явления природы, формулирует универсальные законы, которым подчиняются все явления, происходящие в природе. Обучение любой науке можно считать успешным только тогда, когда происходит овладение методологией науки, а не просто усваивается определенная сумма знаний. Сейчас наиболее гармоничной и стройной методологией, определяющей стиль научного мышления вообще, обладает именно физика, и ее изучение успешно повлияет на овладение другими науками [9].

Наиболее эффективными являются те методы изучения физики, которые отражают методологию науки. В этом случае одним из наиболее успешных методов является решение физических задач, так как в процессе их рассмотрения учащийся моделирует все этапы научного исследования. Развивают воображения с помощью представления жидкостей в различных положениях. Использование циклов, определенным образом подобранных задач, позволяет учащимся двигаться в своем темпе, постепенно усложняя исследования, что создает возможность для более успешного обучения и реализации творческого потенциала личности.