Проекты

Использование энергии солнца и дождевых капель в качестве альтернативного источника электроэнергии

Работа призёров конкурса проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Энергия будущего. Цифровая энергетика» среди работ учащихся 7–9 классов

Направление работы: Инженеры
Авторы работы: ГБОУ Школа № 544
Предметы: Физика
Классы: 10 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» 2021 года

Актуальность

Энергия бывает возобновляемой (альтернативной) и невозобновляемой (традиционной). Человечество получает энергию в основном за счёт сжигания ископаемого топлива и работы атомных электростанций.

Альтернативные источники энергии – это обычные природные явления, неисчерпаемые ресурсы, которые вырабатываются естественным образом. Такая энергия ещё называется регенеративной или «зелёной».

Альтернативная энергетика – это методы, которые отдают энергию более экологичным способом и приносят меньше вреда. Она нужна не только для промышленных целей, но и в простых домах для отопления, горячей воды, освещения, работы электроники.

За последние 20 лет доля альтернативных источников энергии в Европе возросла в 20 раз: с 0,88% в 2000 году до 16,7% в 2019 году. В странах Северной Америки – в 20 раз: с 0,46% в 2000 году до 9,22% в 2019 году. В странах Азии – в 7 раз: с 1,07% в 2000 году до 7,56% в 2019 году. В России доля альтернативных источников энергии выросла в 18 раз с 0,01% в 2000 году до 0,18% в 2019 году. Но доля альтернативных источников энергии в энергетическом балансе России значительно ниже среднемировой.

Цель

Изучить климатические особенности различных регионов и предложить использование оптимальных природных источников энергии.

Получить электрическую энергию из дождевых капель.

Задачи

  1. Изучить климатические особенности различных регионов.
  2. Предложить использование солнечной энергетики и энергии дождевых капель.
  3. Изучить научную литературу по исследованию кинетической энергии дождевых капель.
  4. Получить электрическую энергию из дождевых капель.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Громкоговоритель электродинамический
  • Капельница
  • Осциллограф ОМШ-3 м (цена деления вертикальной шкалы 0,1 мВ в режиме максимальной чувствительности)

Описание

Этапы работы над проектом

На первом этапе автор изучил все возможные виды альтернативных источников электроэнергии и климатические особенности различных регионов России.

Энергия солнца как один из видов альтернативной энергии в России. Исследования суммарной солнечной радиации в России показали, что наибольшие дозы солнечного излучения получают вовсе не черноморские курорты страны. На самом деле, рекордсменами по данному показателю оказались пограничные с Китаем территории Южной Сибири и Дальнего Востока, а также территория Прикаспийской низменности. Однако существует ряд существенных недостатков в использовании этого вида энергии:

  1. Эффективно энергия вырабатывается лишь в течение светового дня, и для её накопления необходимы аккумуляторы.
  2. Высокая стоимость и длительный период окупаемости панелей. 
  3. Сложность в использовании на территории с большим количеством осадков в форме снега.
  4. Проблемы с утилизацией солнечных батарей.

Солнечные батареи – прекрасный источник экологически чистой энергии, однако производство их токсично, а в периоды затяжных дождей они совершенно бесполезны. Решить эту проблему можно, научившись  вырабатывать электричество из капель, падающих с неба.

На распределение осадков влияют главным образом циркуляционные процессы и рельеф. Самое большое количество осадков характерно для наветренных склонов гор. Это относится к западным склонам Урала, Алтая и особенно Большого Кавказа. На территории Дальнего Востока количество атмосферных осадков закономерно уменьшается с юга на север. Во Владивостоке – около 850 мм; в Якутске  – 300 мм;  на Новосибирских островах – 80 мм. Наряду с количеством осадков не менее важной климатической особенностью является их режим, т. е. распределение по сезонам года. На большей части территории нашей страны осадки распределяются неравномерно: большая часть их приходится на тёплое время года, т. е. на лето.

На первом этапе проведён эксперимент получения электической энергии из капель воды. Потенциальная энергия капель превращается в кинетическую.

Когда дождевая капля падает на твёрдую поверхность, происходит абсолютно неупругое соударение, и вся её кинетическая энергия передаётся поверхности. После удара капли о диффузор звуковая катушка начинает двигаться в поле постоянного магнита. В катушке возникает ЭДС индукции, которое регистрируется осциллографом.

При падении капли с высоты 0,5 м регистрируется  напряжение 0,2 мВ. Чем больше высота падения и диаметр капель, тем больше кинетическая энергия. А следовательно больше будет напряжение.

Результаты работы/выводы

  1. В этой работе показана принципиальная возможность использования потенциальной энергии дождевых капель.
  2. С учётом постоянно различных  погодных условий в большинстве точек земного шара можно использовать различные природные источники  энергии.
  3. Использование энергии дождевых капель является альтернативой солнечным батареям для районов с обильными осадками и небольшим числом солнечных дней в году.

Перспективы использования результатов работы

Перспективными направлениями работы являются сбор воды и распределение её по капиллярам, регулирование диаметра и высоты падения капель, а, следовательно, количество вырабатываемой энергии.

Мнение автора

«Обучение в «Инженерном классе» открывает большие возможности для получения полезных знаний и умений технической направленности.

Участие в открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» помогает приобрести опыт публичного выступления и получить экспертную оценку выполненной работы»