Възобновяемите източници на енергия и мястото им в учебния процес по физика

Възобновяемите източници на енергия и мястото им в учебния процес по физика

Цеца Цолова Христова
УКТЦ по МТТ гр. Правец, към ТУ-София


Хилядолетия наред човек чрез своята дейност изменя естествената среда, която обитава, а заедно с това - и самия себе си.
Индустриалната революция и научно-техническия прогрес въоръжиха човечеството с невиждани средства и възможности за въздействие и преобразуване на природата.
Човечеството не само изразходва огромни количества материя, която в голямата си част превръща в замърсители на природата, но и произвежда огромно количество енергия. Тази енергия в крайна сметка повишава температурата на планетата – т.нар. “парников ефект”.
В световен мащаб обществото е загрижено за замърсяването на околната среда . Доказателство за това са Конвенциите от Киото и Рио. В съответствие с тях много страни подписаха споразумението за незамърсяване на околната среда(без САЩ, Русия и др.)
Наличието на ограничените запаси от природни горива както и замърсяването на природата доведоха до търсенето на нови енергийни източници и пестенето на енергия.
Възобновяеми източници на енергии са всички енергии, чийто произход е от прякото слънчево греене и чието непряко въздействие е под формата на биомаса, движение на атмосферните маси, вятър, и движение на вълните.Освен това към тях се включват и енергиите от геотермичността и гравитацията.

Фиг. 1 Възобновяеми източници на енергия и връзката между тях:
Възобновяеми източници на енергии са:1.
1.Слънчевата енергия-/естествена светлина, слънчева топлина/
2.Енергията на вятъра - резултат от климатичните условия;
3.Силата на течащата вода - движението на водата, под действието на гравитацията;
4.Енергията на приливно-отливните вълни, получени като резултат от гравитацията между Слънцето, Луната и Земята;
5.Геотермалната енергия - затоплянето на подпочвените води от вулканична и тектонична дейност;
6.Използване на биогаз - резултат от разлагането на органичната материя;
7.Използването на физическа сила (животинска или човешка).

Енергия на Слънцето
Колосален източник на енергия е СЛЪНЦЕТО.От него под форма на слънчево лъчение само за една година върху Земята се получава енергия,равна на всички запаси от енергия на Земята(като се изключи термоядрената).Общата слънчева радиация превишава 2900 пъти световното енергопотребление.
Енергията на Слънцето може да се използва както за получаване на топла вода, така и за получаване на електроенергия.
Установено е, че 90% от енергопотреблението в домакинствата отива за отопление и битова топла вода Използването на слънчевата енергия може да намали значително разходите за тези нужди и да намали вредните емисии на CO2 до 50%.
Европейската комисия предвижда до 2010 година 12% от консумацията на електроенергия да е от възобновяеми източници на енергия. До 2003 година ще бъдат инсталирани 15 000 000 m3 слънчеви топлинни системи, а до 2010 година-100 000 000 m3.

Енергия на вятъра
Вятърът е неизчерпаем източник на енергия, наречен от човека с красивото име "сини въглища".
Около 1-2 % от енергията, идваща от Слънцето се превръща в енергия на вятъра. Това е от 50 до 100 пъти повече от слънчевата енергия, превърната в биомаса във всички плантации на Земята.
Използването на енергията на вятъра датира от преди повече от 3000 год.
В наши дни вятърната турбина основно се използва за получаване на електроенергия.Вятърната турбина превръща енергията на вятъра във въртящ момент чрез роторните витла..
Кинетичната енергия на вятъра зависи от плътността на въздуха - колкото въздухът е по-плътен, толкова повече енергия получава турбината, от третата степен на скоростта на вятъра и от конфигурацията на ротора.
Формулата по която се изчислява мощността на вятъра, когато той навлиза перпендикулярно на роторната зона е:
P = ½ ρv³πr²
Повече информация на адреси:(http://www.windpower.org/tour/wres/enrspeed.htm)
(http://www.windpower.org/stat/unitsw.htm#roughness)
Тук “ρ” е плътността на въздуха при съответната температура, “v” е скоростта на вятъра, π=3,14 , а “r” е радиусът на роторната зона.
Според “Закона на Бетц”,формулиран е от германският физик Алберт Бетц през 1919г, може да превърнем само 16/27(около 59%) от енергията на вятъра в механична енергия на турбината.
Задача 1: Да се изчисли мощността на вятъра при температура 15°С , ако скоростта му е 8 m/s при радиус на роторната зона 1m. Каква е мощността на вятъра на квадратен метър? Отг. 984,704 W; 313,6 W/m².
Задача 2: Да се разгледа таблицата и да се определи каква е стойността на мощността на вятъра на квадратен метър при два пъти по-малка скорост и при два пъти по-голема скорост от изчислената по-горе.


Задача 3. Да се изчисли произведената от вятърната турбина електроенергия от 1 m² площ при к.п.д. на вятърната турбина 42% и скорост на вятъра 10m/s за 1 час. А каква ще бъде за един ден и за една година? Считайте, че вятърът духа само през 10% от времето, а температурата е 15°С. Каква електроенергия ще произведе вятърна турбина с диаметър 2 m за една година? Отг. 0,025 kWh/m²; 0,6 kWh/m²; 219 kWh/m²; 687,7 kWh.

Сега в Европейския съюз се произвежда достатъчно електричество от енергията на вятъра, за посрещане нуждите на 5 000 000 човека, а до 2010 година в ще бъде инсталирана 60 000 MW мощност, която ще посрещне нуждите на 75 000 000 човека.

Водите като енергия
Едни от първите електроцентрали са били ВЕЦ. Човечеството от зората на цивилизацията използва силата на течащата и падащата вода за задвижване на различни съоръжения, но сравнително отскоро се използва енергията на приливно-отливните вълни
Една от първите електроцентрали от този тип е изградена на френското атлантическо крайбрежие и използва приливно-отливната вълна ( от 6 до 12 м.) за завъртане турбините на генератора за електричество.

Геотерманите води като енергоресурс
Геотермалната енергия се използва в страни, където има естествени горещи минерални извори, които могат да се използват и се използват както за добив на електроенергия, така и за директно отопляване на сгради. Такива източници на енергия се използват в Исландия.

Биомаса и биоенергия
Биомасата е многообразна като съдържание и многостранна като енергоресурс.Компонентите на биомасата като енергоресурс са дървесна биомаса, остатъци от дървообработващата и горска промишленост, енергийните култури, земеделските отпадъци, отпадъците на животновъдството и месопреработвателните предприятия.
От тях може да се произвеждат горива, топлинна и ел.енергия.
Биогазовете (от рода на метан) се получават при гниенето на органична материя - битово-комунални отпадъци; отпадъчни продукти от биохимични производства; отпадъчни продукти от животински ферми и т.н. Те също могат да се използват за производство на топло и електроенергия.

Битови и промишлени отпадъци като енергоресурс
Общите и домакинските отпадъци изхвърлени на градските сметища край големите градове могат да се превърнат в енергоносители за производството на топлинна и ел.енергия.
В световен мащаб отдавна отпадъците се събират разделно и след това се рециклират.
Един от най-новите заводи е ECOPLANT край Барселона. В него разделно събраните отпадъци отново се преработват.Цената му е повече от 50 000 000 долара, но тази инвестиция наистина си струва . Ще спомена само, че от анаеробното гниене на хранителните отпадъци, които ние хвърляме, се произвеждат годишно 14 000 000 m3 биогаз , 22 000 000 kWh електроенергия, 55 000 тона органична тор.

Горивна клетка
Горивната клетка е електро-химичен преобразувател на енергия.Тя всъщност е електро-химично устройство , приличащо по функция на батерия, но за разлика от батерията тя не складира енергия. Състои се от електролит, който е поставен между два електрода . Кислородът преминава през единия електрод, а водородът през другия, генерирайки електричество , вода и топлина. Превръщането на енергията в горивната клетка по принцип е чист и тих процес, т.е. няма замърсяване на околната среда.
Горивната клетка обикновено използва водород като гориво, но също така могат да бъдат използвани и други горива като естествен газ , метанол и дори въглища. В повечето видове горивни клетки тези горива първо трябва да бъдат преобразувани във водород с помощта на преобразувател. Вече има направени както големи електростанции от горивни клетки, захранващи населени места с електричен ток, така и малки горивни клетки за GSM и лаптоп.
В момента автомобилният бизнес хвърля много средства в разработването на все по-евтини и сигурни, леки и компактни горивни клетки. Засега цената им е доста голяма, но тенденцията е тя да намалява. Например с горивна клетка с мощност 50кW може да се изминат 350кm, като цената на водородното гориво почти се доближава до тази на бензина. Но цената на самата горивна клетка е все още непосилна са обикновения потребител.
Все още не е късно да спасим природата! А това ще стане, ако екологичните проблеми, пестенето на електроенергия , както и видовете възобновяемите източници на енергия получат по-широка популярност чрез часовете по физика.

Използвана литература:
www.SEEA.government.bg
www.europa.eu.int
www.windpower.org
www.zebu.uoregon.edu/1998/ph162/111.html
www.fuelcell.today