top of page

Городская молодежная научная конференция

«Научный потенциал города - XXI века»

 

 

 

 

 

 

 

 

Секция «Общетеоретические дисциплины».

Подсекция «Физика».

«Энергосберегающие технологии»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Участники: ученики ГБОУ СОШ №5

Широв Алексей,

Андронова Светлана,

Парфилев Владислав.

 

Научный руководитель: учитель физики ГБОУ СОШ №5

Казакова Л.А.

 

 

 

 

 

 

г.о. Сызрань 2012 г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

В современных условиях проживания человек хочет окружить себя не только повышенным комфортом, но и сниженными затратами на него. Постоянно увеличивающиеся расходы на окружающие нас условия и ресурсы жизнедеятельности требуют принятия радикальных мер и разработок, которые могут помочь сэкономить, не лишая нас привычного объема благ. Речь идет об энергоресурсах, стоимость потребления которых достаточно высока. С проблемой энергосбережения постоянно сталкиваются крупные и мелкие предприятия, частные компании, индивидуальные потребители. Новые энергосберегающие технологии для дома и промышленности сегодня являются проектом будущего. Природный потенциал не безграничен, как уже смогло убедиться население планеты. Повышение эффективности использования энергетических ресурсов способствует как раз снижению воздействия человека на окружающую среду и природные ресурсы. Современные энергоресурсы базируются, прежде всего, на добыче и переработке в топливо природных полезных ископаемых – нефти, газа, угля. Весь процесс от добычи до сжигания их для выработки энергии очень отрицательно воздействует на окружающую среду, на экологию, на нашу планету и в конце концов на наше здоровье. Даже самая богатая на природные ресурсы страна, такая как наша, не сможет похвастаться безграничным их запасом. Отсюда и повышение интереса к использованию энергоэффективных технологий повсеместно – и в домах, и в промышленности.

Уже сегодня становится ясно, что современные эффективные технологии ждет перспективное будущее. По подсчетам специалистов, стоимость обычного энергетического двигателя на производстве составляет лишь пятую часть стоимости потребляемой им электроэнергии. Этот фактор и заставляет задумываться об оптимизации производственного оборудования, основанного на электроприводных двигателях. В странах западной Европы уже давно применение энергоэффективных технологий экономят собственникам предприятий от 30 до 40% энергоресурсов. У нас энергосберегающие технологии в промышленности также уже доказали свою эффективность и право на постоянное использование, тем самым повышая конкурентоспособность любой компании за счет немаловажного фактора – уменьшения издержек. Принцип западноевропейских стран основан на утверждении: экономия – это наш заработок! И в его реализации им помогли энергосберегающие технологии, которые, развитые страны начали внедрять в производство и в быт людей. Благодаря им в этих странах экономический рост поднялся на 60-65%. Такие показатели для стран, закупающих ресурсы из-за рубежа, позволяют уменьшить расход топлива и тем самым поднять уровень жизни в стране. Но если говорить про нашу страну, экспортирующую топливо, то в России недавно задумались о них. И теперь внедрение энергосберегающих технологий стало главной задаче нашей Родины. Благодаря ним наша страна сможет уменьшить расточение ресурсов на свои нужды, и тем самым сохранить ограниченные ресурсы и для себя, и для экспорта, потому что продажа топлива является неотъемлемой часть нашей экономики.

 

Проблема энергосбережения в РФ на современном этапе развития очень важна . Россия – одна из самых расточительных стран в мире. Потенциал энергосбережения в нашей стране сравним по масштабам с объемом всех экспортируемых нефтепродуктов. Энергоресурсосбережение является одной из самых серьезных задач XXI века . От результатов решения этой проблемы зависит место нашего общества в ряду развитых в экономическом отношении стран и уровень жизни граждан . Цель энергосбережения это повышение энергоэффективности во всех отраслях, во всех городах и в стране в целом. И задача определить, какими мерами и насколько можно осуществить это повышение. Цели энергосбережения совпадают и с другими целями муниципальных образований, таких как улучшение экологической ситуации, повышение экономичности систем энергоснабжения и др.

Мировой спрос на энергию к 2030 году возрастет примерно в два раза. Из этого следует вывод: необходимо использовать весь накопленный опыт в энергосберегающих технологиях уже сейчас, и продолжать осваивать новые энергоэффективные технологии.

Целью нашей исследовательской работы является сбор данных по использованию энергосберегающих технологий в производственной сфере и быту, а также проведение практического исследования эффективности энергосберегающих ламп в отдельной квартире.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основное содержание.

 

Утверждена областная целевая программа "Энергосбережение и повышение энергетической эффективности в Самарской области на 2010-2013 годы и на период до 2020 года».

Первый этап программы (2010-2013 годы) предусматривает установку приборов учета на объектах бюджетной сферы, проведение энергетического аудита на объектах бюджетной сферы, осуществление мероприятий по повышению энергоэффективности на объектах.

В ходе второго этапа (2014-2020 годы) планируется осуществление мероприятий второй очереди по повышению энергоэффективности на объектах бюджетной сферы - модернизация систем освещения, отопления, водоснабжения, замена энергопотребляющего оборудования на оборудование более высоких классов энергетической эффективности.

Недооцененным является энергетический потенциал использования альтернативных и возобновляемых источников энергии. Решить проблему повышения энергоэффективности экономики Самарской области возможно только путем применения комплексного подхода, позволяющего охватить процессом энергосбережения все сферы экономики.

 

Цели и задачи в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности в Самарской области

Настоящая Программа основывается на следующих принципах:

  • удовлетворение обоснованных потребностей населения и экономики Самарской области в энергетических ресурсах;

  • повышение эффективности потребления (использования), передачи и производства энергетических ресурсов;

  • приоритет повышения эффективности использования энергетических ресурсов относительно увеличения объемов их закупки.

Целями Программы являются:

  • обеспечение рационального использования ТЭР на территории Самарской области за счет реализации энергосберегающих мероприятий, повышения энергетической эффективности и снижения энергоемкости ВРП на 40% (по сравнению с 2007 г.);

  • модернизация энергетического комплекса региона, внедрение инновационных технологий в сфере энергосбережения и повышения энергетической эффективности.

Для достижения поставленных целей необходимо решение следующих задач:

  • проведение энергосберегающих мероприятий в подведомственных бюджетных учреждениях;

  • развитие экономических и правовых механизмов, ориентированных на стимулирование энергосберегающей деятельности;

  • внедрение инновационных энергосберегающих технологий и использование экономически обоснованных подходов к энергосбережению и повышению энергетической эффективности.

Потенциал энергосбережения – это неиспользованный в настоящее время объем энергоресурсов, который может быть вовлечен в хозяйственный оборот на основе известных технологий энергосбережения. Намеченный к освоению к 2020 году потенциал энергосбережения Самарской области составляет 10600 млн. кВтч электроэнергии.

Энергосберегающие мероприятия в Самарской области.

 

Для реализации недавно принятого Федерального Закона «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности»  министерством промышленности, энергетики и технологий Самарской области подготовлен «План первоочередных организационных мероприятий по энергосбережению и повышению энергоэффективности в Самарской области», который позволит структурировать работу в части реализации энергосберегающих и энергоэффективных мероприятий как муниципальными образованиями, так и социально-значимыми бюджетными организациями здравоохранения, образования, социальной защиты Самарской области.

Также планируется разработка Закона Самарской области «Об энергосбережении и повышении эффективности использования топлива и энергии в Самарской области» и областной целевой программы энергоэффективности на 2011-2015 годы.

 

Мировые инновационные энергосберегающие технологии:

 

1. Специалисты международной корпорации "Dr. Vernikov Magnetics Group"(ул. Северная, 22а, Тольятти, Самарская область, Россия) одни из первых разработали и представили на мировом рынке новое уникальное по своих техническим характеристикам электропостоянное магнитное оборудование, в котором источником энергии являются управляемые дистанционно высокоэнергетические постоянные магниты. Корпорация «Dr. Vernikov Magnetics Group» производит магнитное, электромагнитное и электропостоянное оборудование практически для всех промышленных применений, включая работу с тонким, неровным и горячим (до 700°С) металлом; загрузку и разгрузку машин резки и раскроя листов длиной до 20м; вертикальное транспортирование стали; подъем труб, стальных катушек, изделий специальной формы и лома, а также для многочисленных других применений, включая подводные и космические.

Основными и беспрецендентными преимуществами электропостоянных магнитных систем являются:

- экономия до 95% электроэнергии, так как потребляемая электропостоянным магнитом энергия затрачивается только при его включении/отключении и составляет примерно 5% от количества энергии потребляемой электромагнитом, который в настоящее время доминирует на рынке магнитной техники;

- сохранение максимальной силы магнитной системы в течение всего времени работы, благодаря исключению фактора нагрева обмотки, которая в данном случае используется лишь для включения/отключения рабочего магнита;

- максимальная безопасность в процессе эксплуатации, отсутствие необходимости в постоянном электрическом питании и в батареях аварийного питания, так как магнит во время работы не нуждается в электроэнергии;

- практически беспредельный срок действия электропостоянного магнита, благодаря тому, что обмотка, которая обычно ограничивает срок службы электромагнита до 7-8 лет, в данном оборудовании используется только при включении/отключении магнита;

- максимальная сила магнитного притяжения за счет использования оригинальных разработанных Корпорацией электропостоянных систем с высокоэнергетическими редкоземельными магнитами.

 

2. Группа российских ученых под руководством директора Волгоградского института материаловедения РАЕН профессора Валериана Соболева открыла НОВОЕ ЗНАНИЕ, которое способно полностью изменить жизнь человеческого сообщества и, без всякого сомнения, являет собой новую страницу в науке и технике.

Эти открытия связаны с новыми, прежде неизвестными природными процессами, использование которых открывает колоссальные, дешевые, практически неиссякаемые энергетические возможности, которые способны вытеснить традиционные энергоносители. Эти открытия несут с собой создание новых материалов, которые ведут к формированию нового предметного мира. Горизонты практического использования этих открытий настолько широки, что мы сегодня не можем в полной мере представить их значение.

Обеднения процесс открыт экспериментально, является основным, за которым последовали все остальные. Этот процесс подобен электролизу, и, также как электролиз, легко исполняется. Но в нем продуктом являются металлы и монолитные многоэлементные химические соединения - материалы типа кварцевого стекла, т.е. то, что являлось целью всех исследований. Состав этих материалов соответствует веществам типа оксидов кремния, железа, алюминия, титана с температурой плавления, начиная с 1500 и более 3000°C. Материалы типа кварцевого стекла являются продуктом этого процесса.

Процесс, легко реализуемый в лабораторном варианте, также легко реализуется в промышленном варианте для широкомасштабного получения высокотемпературных, химически инертных и сверхпрочных материалов в недорогой технологии. Эти материалы во многих случаях заменят конструкционные материалы, ныне существующие, так как они позволяют значительно снижать вес изделий, существенно увеличить срок их службы, имеют принципиально низкое влияние на экологию. Создание так называемого высокотемпературного "керамического" двигателя, который стараются сейчас сделать автомобильные компании с целью понижения расхода топлива, легко осуществимо из новых материалов.

Обеднения процесс является новым, и по его результатам многоэлементные химические соединения, получаемые в этом процессе, представляют собой новое состояние вещества, характеризуемое нестехиометрией состава. Количественный состав этих веществ необъясним существующими законами химии. Эти вещества отличаются многообразием химических составов и, соответственно, образуют обширный новый класс материалов. Вещество в новом модифицированном состоянии содержит упорядоченные структуры, которые излучают изменяющийся магнитный поток во времени. Эти упорядоченные структуры, как целое - ни что иное, как, магнитный заряд. Состоялось его экспериментальное открытие. Обоснованное теоретическое предположение о существовании магнитного заряда сделал Дирак, и были многочисленные попытки обнаружить этот заряд. Открытием стало и то, что магнитный заряд принадлежит сплошной среде, а не отдельной частице. Материалы (сплошная среда), содержащие магнитный заряд, являются новым источником энергии и, излучая магнитный поток, создают ЭДС в проводниках, точнее - в проводящих контурах, вместе с которыми эти материалы составляют новый источник тока, физический.

Такое название этот источник получил в противоположность источнику тока химическому. Энергия источника тока физического пополняется за счет энергии естественных силовых полей. Следовательно, источник не требует традиционных углеводородных, ядерных энергоносителей или энергии солнца, ветра и т.п. Он может работать в любых климатических условиях, будет изготавливаться в виде автономного прибора бытового или промышленного назначения и производить электроэнергию, за которую не надо платить.

Открытые новые материалы позволяют разработать источники электроэнергии для бытового и промышленного назначения. Они смогут работать непрерывно, производя экологически чисто эту энергию без использования каких-либо видов топлива. Это позволит отказаться от традиционных дорогих энергоносителей - ядерного топлива, газа, нефти и угля. Вместе с тем, появится возможность без создания инфраструктуры быстро обеспечить энергоснабжение в труднодоступных районах.

 

Внедрение и эффективное использование энергосберегающих технологий

 

1.Сберегающие технологии внедряются и на предприятиях энергетического комплекса. Например, "Октябрьская сетевая компания" (Сызранский р-н), в аренде у которой находятся муниципальные электросети, создала техническую базу для осуществления сберегающих мероприятий. Они, по словам представителей ОСК включают широкий комплекс работ, характеризующихся быстротой внедрения и небольшим сроком окупаемости. Среднее потребление электроэнергии в месяц составляет 7,5 млн кВт. Используются 1)дуговые ртутные лампы ДРЛ (280Вт)

  • дуговые натриевые трубчатые лампы ДНаТ (280Вт)

    светодиодные (70Вт) Световой поток ДРЛ в 2 раза меньше, чем у ДНаТ, продолжительность эксплуатации 12000ч и 15000ч соответственно

2.За 2008 год БСК установила семь дополнительных трансформаторных подстанций. За счет них снизилась протяженность линий с напряжением 0,4 кВ, соответственно, уменьшились и потери электроэнергии. Почти 15 км воздушных линий напряжением 0,4 кВ заменили на провода большего сечения. В результате было сэкономлено 394 тыс. кВтч. Сезонное отключение 20 трансформаторов мощностью 630 кВА позволили сократить потери электричества только за летний период на 80,7 тыс. кВт/ч. Помимо этого, выполнена замена более 14,5 тыс. счетчиков класса точности 2,5 на оборудование более высокого класса – 2,0. По расчетам представителей БСК, данные меры сберегли городу несколько миллионов кВт/ч.

 

 

В следующей части нашей работы расскажем об истории появления энергосберегающих ламп. Мы решили провести практическую работу для подтверждения экономии электроэнергии с помощью подобных ламп.

В настоящее время одним из известных всем способов экономии электроэнергии является энергосберегающая лампочка. Так что это такое? Это — электрическая лампа, обладающая существенно большей светоотдачей (соотношением между световым потоком и потребляемой мощностью), например в сравнении с наиболее распространёнными сейчас в обиходе лампами накаливания. Благодаря этому применение энергосберегающих ламп способствует экономии электроэнергии.

Официально первая люминесцентная или, как ее еще называют, флуоресцентная лампа была создана в начале прошлого века инженером-изобретателем из США Питером Купером Хьюиттом, получившим на нее патент 17 сентября 1901 года. Хотя некоторые исследователи оспаривают его первенство в изобретении, называя «отцом» люминесцентной лампы малоизвестного немецкого физика Мартина Аронса, экспериментировавшего с ртутными лампами в конце XIX века. Изобретенная и запатентованная Хьюиттом люминесцентная лампа содержала ртуть, пары которой нагревались проведенным через нее электротоком. Лампа Хьюитта была шарообразной формы и слегка изогнута, она давала больше света, чем лампы Лодыгина-Эдисона, но свет этот был голубовато-зеленым, неприятным для глаза. По этой причине первые ртутные лампы использовали только фотографы и они не получили широкого распространения. Люминесцентная лампа в ее практически современном виде была создана группой немецких изобретателей во главе с Эдмундом Гермером, запатентовавшими свое изобретение 10 декабря 1926 года. Именно Гермеру пришла идея нанести флуоресцирующее покрытие на стеклянную поверхность лампы изнутри, которое преобразовывало ультрафиолетовое свечение ртутной лампы в белый свет, не режущий глаз. Альберт Халл, инженер компании «General Electric», разработал люминесцентную лампу с аналогичным покрытием к началу 1927 года, но компания была вынуждена приобрести патент Эдмунда Гермера, как оформившего его раньше. С момента приобретения патента Гермера инженеры «General Electric» активно принялись за совершенствование люминесцентных ламп, стараясь довести их до серийного производства. Для сокращения размеров колбы были созданы лампы круглой и U-образной формы, продемонстрированные на стенде «GE» на всемирной нью-йоркской выставке 1939 года, лампы с компактной спиралевидной колбой разработаны инженером «General Electric» Эдвардом Хаммером в 1976 году. Впрочем, спиралевидные люминесцентные лампы в 80-х так и не были запущены в производство, поскольку руководители компании сочли расходы на строительство новых заводов чрезмерными. В 1995-м медлительностью «General Electric» воспользовались китайские производители, наладив выпуск энергосберегающих ламп со спиралевидными колбами. Ввинчивающаяся лампа с магнитным балластом (SL) была создана компанией «Philips» в 1980 году — она стала первой люминесцентной лампой такого рода, способной конкурировать с лампами накаливания. Энергосберегающую лампу с электронным балластом (CFL) в 1985 году впервые продемонстрировал немецкий концерн «Osram».

Устройство энергосберегающей люминесцентной лампы  — это колба, электронный балласт и цоколь. Цоколь с резьбой для вкручивания в патрон лампы и с контактами для ее питания практически не отличается от цоколя обычной лампы накаливания.

Изогнутая колба люминесцентной лампы покрыта слоями люминофора, наполнена инертным газом и, в небольшом количестве, парами ртути — их ионизация и вызывает свечение лампы при подключении питания. Содержание ртути в люминесцентных лампах составляет от 1-го до 70 мг. Внутри колбы расположены вольфрамовые электроды, покрытые смесью окислов бария, кальция, цинка и стронция. Люминофор, нанесенный на внутреннюю поверхность стеклянной колбы в компактных люминесцентных лампах, содержит щелочноземельные металлы, и поэтому на 40% дороже люминофоров, применяемых в продолговатых люминесцентных лампах для потолочных светильников. Щелочноземельные металлы в составе люминофора компактных ламп обеспечивают работу при высокой интенсивности облучения, благодаря им стало возможным уменьшение диаметра ламповой колбы. Причудливо изогнутая форма колбы в люминесцентных лампах позволяет уменьшить ее длину за счет разделения на несколько коротких, сообщающихся друг с другом секций.

Сами по себе лампы, покрытые люминофором и содержащие пары ртути, при подключении питания работать не будут — требуется пускатель-балласт, встроенный в лампу между цоколем и колбой. Потребляя высокочастотный ток порядка 50 кГц, электронный балласт (CFL) устраняет эффект мерцания энергосберегающих ламп, одновременно повышая выработку света. Высокочастотный ток электронный балласт повышает для себя сам — содержит в своей схеме инвертор. Также в задачи балласта входят подогрев электродов и поддержание мощности люминесцентной лампы на номинальном уровне, вне зависимости от перепадов напряжения в сети. От того, насколько качественно выполнен электронный балласт, зависит срок службы энергосберегающей лампы.

Работает люминесцентная лампа таким образом: подача питания вызывает разряд между электродами, ток проходит через смесь инертного газа и паров ртути, быстрые электроны наталкиваются на медлительные атомы ртути — лампа зажигается. Однако 98% светового излучения, производимого энергосберегающей лампой — ультрафиолет, невидимый для человеческого зрения. А видимый свет, идущий от нее, обеспечивают слои люминофора, светящиеся под воздействием ультрафиолетового облучения. Цветность освещения, вырабатываемого люминесцентными лампами, зависит от химического состава люминофора, нанесенного на стеклянную колбу с внутренней стороны.

Как устроена лампа и как она работает, понятно, но теперь нужно уяснить какие плюсы и какие минусы имеет люминесцентная лампа при её эксплуатации.

Плюсы энергосберегающих ламп:

  • значительно меньшее, по сравнению с лампами накаливания, потребление электроэнергии при большей светоотдаче. Если лампа накаливания мощностью 100 Вт имеет светоотдачу 100-150 люмен, то светоотдача люминесцентной лампы мощностью 20 Вт составит 1 100-2 000 люмен — разница очевидна. Низкое потребление электропитания энергосберегающих ламп, помимо прочего, существенно понижает нагрузку на электропроводку;

  • значительный срок службы, в 8-10 раз превышающий срок службы ламп накаливания. При работе в среднем 2,5-3 часа в сутки люминесцентная лампа будет освещать помещение 8 000-11 000 часов и прослужит несколько лет (зависит от модели и производителя), примерно в 6-8 раз дольше, чем обычная «лампа Ильича»;

  • в течение всего срока работы интенсивность освещения компактными люминесцентными лампами не изменяется;

  • наибольшая температура работающей энергосберегающей лампы не превысит 60 0С. 95% энергии в лампах накаливания идет на нагрев, т.е. при мощности в 100 Вт лампа накаливания нагреется до 95 0С. Благодаря этому можно использовать компактные люминесцентные лампы большой мощности в хрупких бра, светильниках и люстрах.

  • производятся лампы нескольких световых оттенков освещенности, основные — теплый дневной свет (аналогичен цвету освещения от ламп накаливания), дневной свет и холодный дневной свет;

  • в производимом световом потоке полностью отсутствует мерцание (стробоскопический эффект), стабильность освещения обеспечивается электронным балластом лампы;

  • заводская гарантия от производителя на каждую энергосберегающую лампу. На «лампы Ильича» гарантий никогда не было.

Стоит оговориться, что приведенные мною положительные характеристики зависят от производителя данной лампы — его желание сэкономить на сырье и комплектующих серьезно снижает качество и срок работы люминесцентных ламп.

Минусы энергосберегающих ламп:

  • высокая цена. Если лампы накаливания стоят 10-25 руб., то люминесцентные лампы обойдутся в 80-400 руб. Китайские и отечественные энергосберегающие лампы стоят дешевле, европейские — дороже;

  • выступ на цоколе, где находится балласт лампы, иногда мешает ее установить. Не смотрится лампа с электронным балластом и при установке ее в люстру, т.к. слишком заметен цоколь;

  • на разогрев до полной яркости светоизлучения этим лампам требуется от 30 секунд до двух минут;

  • срок исправной работы компактных люминесцентных ламп зависит от частоты включения и выключения питания — чем чаще это происходит, тем быстрее лампа выйдет из строя. Между отключением и повторным включением необходимо выдерживать паузу не менее 5 минут;

  • такие лампы нельзя использовать людям, имеющим кожные болезни и заболевание эпилепсией, т.к. интенсивность освещения энергосберегающих ламп выше обычных и может привести к негативным последствиям;

  • нельзя разбивать стеклянную колбу лампы, т.к. пары ртути попадут в помещения, то их придется в любое время года проветривать в течение несколько часов, причем жильцам на весь срок проветривания потребуется покинуть помещения дома (квартиры) — это важно. Если же разбито несколько ламп сразу — потребуется вызывать специалистов МЧС для проведения демеркуризации;

  • Спектр такой лампы линейчатый (например: для лампы OSRAM состоит из 5 полос в видимой области). Это приводит не только к неправильной цветопередаче, но и к повышенной усталости глаз.

  • совершенно не ясно, как утилизировать вышедшие из строя люминесцентные лампы — выбрасывать в утиль их запрещается, а каких-то специализированных пунктов приема в большинстве населенных пунктов не имеется.

Если учесть, что лампы работают примерно 3-4 часа в сутки, то получим:


 

Лампа накаливания

Энергосберегающая лампа

Экономия

93 Вт (3 шт.)

~18 Вт (3 шт.)

225 Вт

100 Вт (5 шт.)

~ 20 Вт (5 шт.)

400 Вт

60Вт (5 шт.)

~ 12 Вт (5 шт.)

240 Вт

40 Вт (2 шт.)

~ 8 Вт (2 шт.)

64 Вт


 

Затраты, всего: Лампа накаливания

Затраты, всего:

Электросберегающая лампа

Экономия

1,159 кВт

0,23 кВт

0,929 кВт

2,95545 руб.( за час)

0,5865 руб.(за час)

2,36895 руб. (за час)

~'266 руб. ( за месяц)

~ 52,8 руб. ( за месяц)

~'213,2 руб. ( за месяц)

 

В предыдущем месяце плата за электричество, составила 510 рублей. После применения электросберегательных ламп - 296,8 рублей. Экономия составила 213,2 руб.

 

Итак: использование энергосберегающих ламп способно снизить потребление энергии в помещении в 2 раза, причём затраты на приобретение окупятся менее чем за год. Ярким примером такой экономии может послужить внедрение энергосберегающих ламп в учреждениях . За два квартала прошлого года в филиалах государственного учреждения города было установлено 354 энергосберегающие лампы. Экономический эффект от их установки на настоящий момент уже составил 28 тыс. кВт/ч (энергопотребление снизилось на 80%!).

 

Существуют и другие нехитрые способы экономии энергии, доступные каждому:

1.Электроплиты:

для электроплит следует использовать рекомендованные размеры посуды, не оставлять приборы в «ждущем» режиме, для стиральных машин использовать полную загрузку и выбирать правильный режим стирки, вовремя удалять накипь с электрочайников, холодильник ставить в самое холодное место на кухне, не забывать о естественном освещении и т.д.

2.Холодильник:

Холодильник хоть и берёт мало электроэнергии, но тоже может расходовать её впустую. Например, он потребляет вдвое больше электроэнергии, если стоит рядом с плитой. Выберите для своего холодильника самое прохладное место на кухне. Так же, лишнюю работу он делает, когда вы долго держите его дверку открытой. Старайтесь так не делать. Всегда кладите продукты на одни и те же места, чтобы долго их не искать, держа дверь открытой, и запуская в холодильник тёплый воздух. И если вы только планируете купить холодильник, то купите тот, у которого класс электропотребления "А". Бытовые приборы этого класса расходуют меньше всего электричества.

3.Стиральная машина:

Если вы ещё не купили стиральную машину, или хотите купить новую вместо когда-то давно купленной, то выбирайте стиральную машину с классом энергопотребления "А". Обычно, покупая стиральные машины, люди обращают внимание на класс стирки, а не на класс энергопотребления. А ведь только купив машинку с классом энергопотребления А вы можете быть уверены, что она потребляет мало электричество. Стиральные машины других классов энергопотребления тратят на стирку больше электроэнергии, а значит, разоряют вас. Стиральная машина с классом энергопотребления А окупается за 15 лет. Скажете, что так долго стиральные машины не работают? Возможно. Но другая "стиралка" вообще не имеет шансов окупиться. Выбирайте, что для вас лучше. Но, что бы вы ни выбрали, всегда старайтесь загрузить барабан стиральной машинки полностью. При неполной загрузке барабана до 10% электроэнергии будет тратиться впустую.

4.Персональный компьютер:

Сегодня компьютеры есть у каждой семьи. Как правило, это современные модели компьютеров, имеющие мощные блоки питания на 430-450 ватт. Даже в режиме ожидания персональный компьютер потребляет 150 ватт в час. То есть, работая, ПК потребляет электроэнергии столько же, сколько 1,5-4,5 обычных лампочки на 100 ватт. Это довольно расточительно. Попробуйте оптимизировать свою работу на компьютере. Если вы играете на нём в игры, то лучше купите игровую приставку к телевизору. Если смотрите фильмы, то лучше смотреть их через видеомагнитофон на телевизоре. Если работаете в офисных программах, то не забудьте настроить параметры электропитания так, чтобы при отсутствии действий с вашей стороны в течение 5-10 минут, компьютер переходил бы в спящий режим. А если у вас пока нет компьютера, то луче вместо него купите ноутбук. Он потребляет всего 35-45 ватт электроэнергии в час, что намного меньше, чем персональный компьютер. При этом, современные ноутбуки по своим параметрам и ценам уже давно сравнялись с настольными ПК. К тому же, у ноутбуков есть существенный плюс - их мобильность. Да и на столе ноутбук занимает на 1 кубический метр меньше места, чем его собрат - персональный компьютер.

5.Телевизор:

Кинескопные (ЭЛТ) телевизоры нужно заменить на жидкокристаллические . Это же относится и к мониторам для компьютеров. Например, 29-дюймовый (72 сантиметра) ЭЛТ-телевизор потребляет электроэнергии 150 Вт/ч, а 81-сантиметровый ЖК-телевизор всего 60Вт/ч .


 

 


 


 


 


 

 


 

Заключение.

В ходе исследовательской работы мы пришли к выводу:
среди популярных и эффективных средств экономии электроэнергии можно выделить энергосберегающие лампы, использование которых способно снизить потребление энергии в помещении в 2 раза, причём затраты на приобретение окупятся менее чем за год.

 

Организация энергосбережения в масштабах страны задача чрезвычайно сложная. В то же время энергосбережение из популярного лозунга постепенно превращается в насущную необходимость. Недостаток электрических мощностей и природного газа в периоды сильных похолоданий, глобальная борьба с выбросами парниковых газов диктуют необходимость кардинального изменения отношения к энергосбережению. В этот процесс должно быть вовлечено большинство органов власти, все организации и граждане. Столь масштабная проблема может эффективно решаться в каждом муниципальном образовании, регионе и в целом по России только программными методами с четким выделением задач для каждого уровня. Снижение потребления энергоресурсов и увеличение мощности систем энергоснабжения это взаимоувязанные процессы и должны рассматриваться при энергетическом планировании совместно.

Экономия электроэнергии необходима в любое время года, месяца и дня. Но особенно она значима в часы наиболее напряжённого режима работы наших электростанций, так называемых утренних и вечерних часов максимума нагрузки энергосистем. В ряде стран (например, в Англии) ни одна рачительная хозяйка не включит стиральную машину в энергетические часы пик. Её останавливает цена, которая резко увеличивается во время повышенной нагрузки в энергосети.

Необходимо отметить, что экономия всех видов энергии не должна быть самоцелью. Целесообразность реализации энергосберегающих мероприятий нужно всегда проверять на основе технико-экономического анализа. Следует учитывать экономический эффект, достигаемый непосредственно на предприятии и в масштабах народного хозяйства. В первую очередь должны внедряться малозатратные мероприятия или вообще не требующие затрат. Для получения реальной экономии в системе потребителей электрической энергии необходимо упорядочить оплату коммунальных услуг, разработать научно обоснованные нормы потребления энергоресурсов.

№1

__________________________________________________________________________________

Государственное бюджетное образовательное учреждение

средняя образовательная школа №5

города Сызрани городского округа Сызрань

Самарской области

            

 


 

 

 

 

Областная научная конференция школьников
В Самарской области в 2014/15 учебном году

секция: физика

 «Выбор оптимального вида генератора для использования в экстремальных условиях»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнили: учащиеся 10 класса 
Хайбулин Антон Павлович,
 Цыганков Андрей Александрович
Научный руководитель:
Казакова Лариса Анатольевна


Самара 2015 год

 

 

 

Введение
Пользу, а иногда и необходимость электричества недооценить сложно, особенно в экстремальных условиях и чрезвычайных ситуациях. Вам может понадобиться подзарядить рацию, фонарик или мобильный телефон. В данной работе мы расскажем о способах альтернативного получения и сохранения электроэнергии  с помощью некоторых видов электрогенераторов и подручных материалов.
Актуальность темы исследования:
      В случае природных катаклизмов, сбоя в подаче электроэнергии  становиться всё более актуальным – поиск оптимального источника электроэнергии. Наша работа несомненно важна, так как обстановка в современном мире нестабильна и требует от каждого из нас грамотности в вопросе выбора альтернативных источников потребления электроэнергии
         Туристические походы требуют серьезной подготовки. Наряду с амуницией и инвентарём современный турист оснащен множеством электронных устройств, потребляющих электроэнергию. В походе не обойтись без связи, навигатора GPS. Берут в походы и фонари, радиоприёмники, плейеры, фото – и видеотехнику и даже ноутбуки. Аккумуляторы всех этих гаджетов без подзарядки долго не живут, а розетку с электричеством в горах, в тундре или в лесу не отыскать.
         Современный смартфон имеет аккумулятор в 5 раз большей ёмкостью, чем у мобильного телефона, произведённого 15 лет назад. Но время работы только снизилось в несколько раз. Существуют так называемые «power bank» - литиевые аккумуляторы, собранные в одно устройство специально для зарядки мобильных устройств. Его емкости хватит полностью зарядить смартфон несколько раз, чего иногда может хватить. Но на морозе его емкость уменьшается и увеличивается ток саморазряда. Поэтому разумнее взять электрогенератор, занимающий гораздо меньший объём, чем несколько таких аккумуляторов. 
    Наша работа несомненно актуальна, так как с каждым годом наша потребность в электроэнергии для различных портативных устройств только увеличивается. Так же в связи  со сложившейся обстановкой в мире, частыми чрезвычайными бедствиями необходимость в альтернативных источниках  электроэнергии все больше возрастает.
Цели и задачи исследования: 
Цель нашей исследовательской работы –  создать комплекс электрогенераторов, наиболее оптимальных для экстремальной ситуации, убедившись в этом с помощью теоретического сравнения и последующего практического применения.

Задачи:
1.Найти наиболее оптимальный  источник электроэнергии,  сопоставив технические характеристики доступных на сегодняшний день видов электрогенераторов.
2. Сборка прототипов источников электроэнергии, базирующихся на выбранных способах генерации.
3. Исследовать параметры сконструированных прототипов.
5. Объединить прототипы в 1 комплекс для выработки и сохранения электроэнергии.

Методы исследования:
1.Теоретический – обзор литературы по данной проблеме
2. Практический –  конструирование прототипов и исследование их параметров.
                     
Глава 1


Анализ литературы
Генератор (лат. generator «производитель») — устройство, вырабатывающее электроэнергию или преобразующее один вид энергии в другой.
Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Несколько таких соединённых элементов составляют солнечную батарею. Для наших ситуаций он не годен по нескольким причинам: на просторах России не всегда присутствует солнечный свет в достаточном количестве для работы батареи, также он хрупкий и требует бережного отношения. Можно в недостатки отнести невысокий КПД (в среднем 20%), а также количество света, получаемого фотоэлементом, ограничено.
Гальванический элемент
Любая батарейка представляет собой электрохимический источник тока, эффективность которого  стремительно падает 
- в области отрицательных температур (для литиевых  в большей степени)
- при намокании  
- в зимних условиях  ресурс  может быть уменьшен в 2 раза

Дизельная электростанция - стационарная или подвижная энергетическая установка, оборудованная одним или несколькими электрическими генераторами с приводом от дизельного двигателя внутреннего сгорания. Существуют также с приводом от бензинового двигателя. Имеет большую мощность, поэтому используется во многих станциях резервного питания.  Этот генератор для экстремальной ситуации  не подходит, так как требует специальное топливо, и плюс ко всему имеет большие габариты и вес (около 50 кг и больше).
Ветрогенератор - преобразует энергию ветра.
Преимущества:
-вариант использования бесплатной энергии
- отсутствие топлива и отходов 
- достаточная мощность.  
Недостатки:
- мощность зависит от скорости ветра
- нестабильность ветра
Динамо-машина —  состоит из катушки с проводом, вращающейся в магнитном поле, создаваемом статором. Коллекторные двигатели  позволяют вырабатывать энергию при вращении выходного вала. Пригодные для легкой переноски  ручные динамо-машины имеют малые выходные параметры,  при этом куда менее хрупкие, чем большинство других видов электрогенераторов. Главный недостаток ручной динамо-машины – необходимость приложения мускульной силы человека для вырабатывания электроэнергии.  Одно из достоинств динамо-машины в независимости от внешних условий – она может использоваться в любых условиях. Её стоит рассматривать как запасной источник электроэнергии на случай чрезвычайных ситуаций.
Термоэлектрогенератор — это техническое устройство (электрический генератор), предназначенное для прямого преобразования тепловой энергии в электричество посредством использования в его конструкции термоэлементов (термоэлектрических материалов). Именно этот тип генератора нам и подходит, так как имеет малые размеры (сам модуль имеет размеры 40х40х3.9 мм, собранный прототип, готовый к использованию, 9х13х8,5мм, возможно уменьшение) высокую надежность в плане механических повреждений, независимость от вида топлива, исходя из принципа его работы. Еще одним преимуществом является автономная работа без топлива, используя нагрев от природных источников и охладительные конструкции, подобные которым используются в охлаждении процессоров ПК и прочих сильно нагревающихся устройств. Низкий КПД ТГМ компенсируется возможностью повысить разность температур, что увеличит выдаваемую мощность.
Небольшой недостаток – низкая температура максимального нагрева. В дешёвых модулях граница, при которой припой начинает плавиться, что нарушает работоспособность – 140-150 °C, в более дорогих – до 400 °C. Необходимо следить за температурой нагрева, но эту функцию может исполнять предупреждающий звуковым сигналом датчик, либо же нагревать его через «водяную баню», таким способом максимальный нагрев будет около 100 градусов. В мире наблюдается непрерывный рост интереса к термоэлектрическим устройствам. Постоянно наращиваются объемы выпускаемых термоэлементов и приборов на их основе. Это обусловлено тем, что существуют направления, в которых преимущества термоэлектрических способов преобразования энергии являются неоспоримыми. В первую очередь - это электропитание автоматов, использующихся для исследования дальнего космоса, автономные устройства сейсмической разведки. В данный момент эти модули используют для автономного обеспечения энергией электронных блоков для водяных котлов и мусоросжигательных установок, преобразования тепла природных источников - геотермальные воды и т.п. в электрическую энергию, автономного питания маломощных электрических устройств.
Историческая справка.
 Принцип работы ТГМ и динамо-машины:
В 1881 году немецкий физик Зеебек обнаружил, что если спаи разнородных металлов образуют замкнутую цепь и имеют неодинаковую температуру, то в цепи образуется электрический ток. Возникающая взаимосвязь между тепловыми и электрическими процессами в металлах и полупроводниках обуславливает явления, которые называются термоэлектрическими.
Эффект Зеебека состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает термо-ЭДС, если места контактов поддерживают при разных температурах. Величина возникающей термо-ЭДС в первом приближении зависит только от материала проводников и температур горячего ( ) и холодного ( ) контактов. В небольшом интервале температур термо-ЭДС   можно считать пропорциональной разности температур:   где   — термоэлектрическая способность пары (или коэффициент термо-ЭДС).
В простейшем случае коэффициент термо-ЭДС определяется только материалами проводников, однако, строго говоря, он зависит и от температуры, и в некоторых случаях с изменением температуры   меняет знак. Величина термо-ЭДС составляет милливольты при разности температур в 100 К и температуре холодного спая в 0 °С (например, пара  нихром-никель — 4,1 мВ).Возникновение эффекта Зеебека происходит за счет явлений, возникающих в узкой приконтактной области разнородных проводников(полупроводников) и вызвано несколькими составляющими:
1.  Различная зависимость средней энергии электронов от температуры в
различных веществах. Если  вдоль  каждого  проводника  термопары  существует  градиент температур,  то  электроны  на  горячих  концах  приобретают  более высокие  энергии (и,  соответственно,  скорости),  чем  на  холодных. (в полупроводниках,  в  дополнение  к  этому,  концентрация  электронов проводимости растет с температурой) В  результате,  в  каждом  проводнике (полупроводнике),  возникает  поток электронов  от  горячего  конца  к  холодному  и  на  холодном  конце появляется  отрицательный  потенциал,  а  на  горячем –  положительный. Процесс  происходит  в  каждом  из  проводников(полупроводников) термопары  и  продолжается  до  тех  пор,  пока  возникшая  разность потенциалов  ∆U (на  концах  каждого  из  проводников  или полупроводников)  не  вызовет  поток  электронов,  равный  первичному  в обратном направлении (благодаря чему установится равновесие).  Разность  потенциалов  создает  внутри  проводника  не потенциальное электрическое  поле  с  напряженностью  Е = – ∆U/∆x,  локализованное  в тонком приконтактном слое толщиной ∆x. По  определению,  электродвижущая  сила  ε  на  участке  проводника  L
равна  работе  сил  не потенциального  электрического  поля  по
перемещению заряда по этому проводнику. 
2.  Различная  зависимость  от  температуры  контактной  разности
потенциалов в различных веществах. Как  известно  из  школьного  курса  физики,  при  контакте  двух  металлов (или  полупроводников)  возникает  контактная  разность  потенциалов. Контактная  разность  потенциалов  вызвана  отличием  энергий  Ферми  у контактирующих  твердых  тел.  При  создании  контакта  уровни  Ферми становятся одинаковыми, и возникает разность потенциалов. В  контакте  тем  самым  существует  электрическое  поле  с напряженностью  Е = – ∆U/∆x,  локализованное  в  тонком
приконтактном  слое  толщиной  ∆x. Если  температуру  одного  из  контактов  изменить,  то,  поскольку  энергия Ферми F зависит от температуры, контактная разность потенциалов ∆U также  изменится  и,  следовательно,  работа  сил  электрического  поля  Е будет отлична от нуля, появится ЭДС в замкнутой цепи. Данная ЭДС называется контактной термо-ЭДС. Если  оба  контакта  термоэлемента  находятся  при  одной  и  той  же температуре, то и термо-ЭДС исчезает.
3.  Фононное увлечение
Твердые  тела,  в  которых  могут  возникать  термоэлектрические  явления, 
имеют  кристаллическую  структуру.  Узлы  кристаллической  решетки, 
являются  реальными  физическими  объектами,  которые  хотя  и
ограничены  в  движении,  но  непрерывно  совершают  колебательные
движения(в  основном  это  тепловые  колебания).  Колебательные
движения  решетки,  с  точки  зрения  квантовой  механики,  можно
моделировать  некоторыми  частицами,  подобными  квантам  света,  но
движущимися со скоростью звука. Эти частицы называют фононами.
Если  в  твёрдом  теле  существует  градиент  температуры,  то  число
фононов,  движущихся  от  горячего  конца  к  холодному,  будет  больше, 
чем  в  обратном  направлении.  В  результате  столкновений  с  электронами
фононы  могут  увлекать  за  собой  электроны  и  на  холодном  конце
образца  будет  возникать  отрицательный  потенциал(на  горячем –
положительный).  Процесс идет,  пока  возникшая разность потенциалов не уравновесит эффект увлечения. Эта разность потенциалов и представляет  составляющую термо-ЭДС,  которая  при  низких  температурах  может  быть  в  сотни раз больше рассмотренных выше. В  магнетиках  наблюдается  дополнительная  составляющая  термо-ЭДС, обусловленная  эффектом  увлечения  электронов  магнонами –квазичастицами(как  и  фонон),  моделирующими  спиновое взаимодействие узлов кристаллической решетки магнетиков. Для ТЭГ используются полупроводниковые термоэлектрические материалы, обеспечивающие наиболее высокий коэффициент преобразования тепла в электричество. Список веществ, имеющих термоэлектрические свойства, достаточно велик. Были созданы компактные термогенераторные модули мощностью генерации электроэнергии от 1,5 ватт до 10 при разности температур 100 С, в зависимости от размеров. Эффект Зеебека "обратен" эффекту Пельтье, термоэлектрический модуль при подключении к источнику питания будет поглощать тепло с одной стороны и выделять с другой.
            Первая динамо-машина была изобретена А. Йедликом в 1827 году. Он сформулировал концепцию динамо на шесть лет раньше, чем она была озвучена Сименсом, но не запатентовал её. Динамо-машина состоит из катушки с проводом, вращающейся в магнитном поле, создаваемом статором. Энергия вращения, согласно закону Фарадея преобразуется в переменный ток. В результате получался пульсирующий ток постоянной полярности. Принцип действия генератора основан на законе электромагнитной индукции — индуцировании электродвижущей силы в прямоугольном контуре (проволочной рамке), находящейся в однородном вращающемся магнитном поле.

 


Глава 2
Описание исследования
После сравнения характеристик и выбора наиболее подходящих видов электрогенераторов проверка нашей гипотезы состояла из 3 частей:
А) Конструирование прототипов электрогенераторов.
Б) Испытание и замер выдаваемого напряжения и тока. 
В) Объединение в единый комплекс выработки и хранения электроэнергии.
Нами был собран прототип устройства, основанного на использовании эффекта Зеебека (приложение 1). Использован термогенераторный модуль (приложение 2) и повышающий до 5В стабилизатор напряжения с выводом питания на USB порт, что позволяет заряжать большинство нынешних мобильных устройств, используя унифицированный кабель USB-microUSB (приложение 3).  Разность температур на сторонах термогенераторного модуля обеспечивается пассивным охлаждением с помощью радиатора с одной стороны, и нагревом металлической пластины с помощью источника тепла с другой стороны. Для создания разности температур проще всего использовать источник огня на любом топливе. Источники, имеющие не слишком большое количество выделяемого тепла,  лучше всего располагать нагревательной пластиной. Около источников, выделяющих большое количество тепла, например костёр, газовая горелка, необходимо найти расположение, не допускающее сильного нагрева.
Замеры выдаваемых параметров (приложение 4) показали, что один ТГМ выдаёт мощность, сопоставимую со стандартными зарядными устройствами, что вполне отличный результат для использования в «полевых условиях» (приложение5). 
 
Разница температур, °C    Напряжение, В    Ток, мА       
20    0.8    152       
40    1.5    285       
60    2.2    443       
80    3.3    500       
100    4.5    600     

Так же был собран прототип динамо – машины, использующий модуль преобразователя напряжения до 5В (приложение 6). За счёт модульной конструкции преобразователь может использоваться либо в ТГМ, либо в динамо-машине. В основе лежит простой коллекторный двигатель постоянного тока и мультипликатор. Динамо-машина требует доработки передаточного числа в мультипликаторе для большей выходной мощности. Наш прототип выдал 1В и 0.25А без преобразовательного модуля.  Выходная мощность около 250 мВт, что не позволяет напрямую заряжать телефон. Для устранения  недостатков был добавлен буферный аккумулятор. В нём используется литиевый аккумулятор 3.7V, контроллер заряда, преобразователь 3.7<->5В. Он позволяет накапливать энергию с ТГМ и динамо-машины, а затем отдавать её потребителям. Возможна одновременная отдача энергии потребителям и её приём. Такой способ позволяет собрать излишнюю энергию при прекращении потребления оной. Использование динамо-машины и аккумулятора позволяет собрать энергию, выходящую малым током и отдать её потребителю большим.
Опишем возможные улучшения:
Замена установленного ТГМ с критической температурой 150 °C  на другой,  с более высоким порогом.
Используя ТГМ с высокой критической температурой, будет разумным модифицировать какой-нибудь обыденный предмет для таких ситуаций.  Для этого отлично подходит обычный походный котелок. 
За счёт неравномерности нагрева, всегда будет обеспечиваться разность температур, даже при кипящей воде. Такой подход может улучшить выходную мощность за счет большей разности температур и сделать такую вещь незаменимой из-за практически не изменившихся объёма и массы котелка.
Использовать датчик температуры, извещающий о нагреве, близком к критическому, либо реализовать систему нагрева типа «водяная баня».
Улучшить систему охлаждения путём замены радиатора на ёмкость с водой. Вода, обладая большой теплоёмкостью, позволит на протяжении большого времени создавать большую разность температур. Можно использовать снег, если он есть в наличии. Вместе с таким улучшением появляется один недостаток – необходимость ручной замены нагретой воды на охлаждённую для поддержания высокой выходной мощности. Но и его можно ликвидировать, создав систему циркуляции и охлаждения воды до температуры окружающей среды.
Изменение передаточного числа в мультипликаторе динамо-машины. Необходимо уменьшить передаточное число, чтобы уменьшить необходимую частоту вращения ручки динамо-машины.
Доработки в буферном аккумуляторе. Можно заменить аккумулятор на более ёмкий, либо добавить ещё в параллель. Это позволит собирать большие объёмы излишней энергии и повысит выходной ток. 

Вывод:
В ходе нашей исследовательской работы мы выявили два оптимальных вида электрогенераторов, которые имеют преимущества, важные в экстремальных ситуациях, такие как: малый вес и габариты, возможность использования с любым видом топлива( либо без него), устойчивость к механическим повреждениям, надёжность. Так же была реализована возможность дополнительного сохранения выработанной энергии.

 


Заключение:
Наше исследование ещё не закончено, оно ставит перед нами задачу – продолжить исследования на эту тему, улучшить характеристики предложенного варианта и  найти другие решения этой проблемы.

 


Список литературы:
1.Н.Ашкрофт,Н.Мермин «Физика твердого тела» Том 1
2.О.Медалунг «Теория твердого тела» М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы. 1980
3.А.Ф.Иоффе. Полупроводниковые термоэлементы. — РАН.
4.Б.С. Поздняков, Е.А. Коптелов. Термоэлектрическая энергетика. — Атомиздат, 1974 г.
5.Сайт компании «КРИОТЕРМ» www.kryotherm.ru
6.Статья, размещенная на сайте http://radioradar.net/articles/scientific_technical/staty2004-02-28_13-35-12.html

 

№2

bottom of page