Ресурсы нашей планеты не бесконечны и за время существования человечество практически опустошило то, что было дано природой, поэтому проблема расхода энергии стоит достаточно остро. Решая данную проблему, человек сделал невероятный шаг в будущее и научился использовать атомную энергию, вместе с тем, принес огромную опасность для окружающей среды. Кроме того, активная добыча энергоемких ресурсов пагубно влияет на состояние планеты, изменяя не только природу почв, но и климатические условия. Поэтому человечество обратило свой интерес и внимание к альтернативным источникам энергии.
Использование альтернативных источников энергии основано на ее получении из возобновляемых природных ресурсов. Поскольку запасы традиционных источников энергии постепенно иссякают, то использование природных ресурсов становится достойной заменой. В своей работе я остановлюсь на источниках энергии, генерируемые солнцем и ветром. Рассмотрим специфику каждого из них.
Солнце является мощнейшим источником энергии в нашей солнечной системе. Его внутреннее давление достигает порядка 100 миллиардов атмосфер, а температура — 16 млн. градусов. При этом до земной поверхности доходит лишь одна двухмиллиардная доля всего его излучения. Вместе с тем даже эта малая часть превосходит по мощности все существующие земные источники энергии [3].
Одной из форм использования данной энергии являются солнечные батареи. На сегодняшний день их использование стало распространенным явлением, а сами батареи приобрели широкую популярность. Впервые солнечные батареи были использованы при покорении космоса в 1957 году. Их роль заключалась в преобразовании солнечной энергии в электрическую, которая в свою очередь обеспечивала работу спутника. Основным материалом создания солнечных батарей является кремний.
Принцип работы солнечных элементов построен на фотоэлектрическом эффекте. Попадая на неоднородный полупроводник солнечный свет, порождает в нем неравновесные носители заряда. Подключение данной системы к внешней цепи провоцирует процесс «сбора» электронов, соответственно вызывая электрический ток. По внешним характеристикам, солнечные батареи представляют собой большие по площади модули, которые собираются из отдельных небольших пластин, с припаянными к ним контактами [2].
Явным бытовым преимуществом использования солнечных батарей можно считать их мобильность. Небольшой элемент в условиях яркого солнечного освещения может вырабатывать электроэнергию достаточную, например, для подзарядки сотового телефона или маломощного ноутбука.
Несмотря на очевидные преимущества, данный вид энергии обладает и рядом недостатков. С одной стороны, это высокая стоимость установки солнечного элемента. С другой, не связанные с человеческим фактором, погодные условия. Так в пасмурную погоду количество вырабатываемого электричества значительно меньше, а ночью и вовсе прекращается. Поэтому целесообразно использовать солнечные батареи в тропических и субтропических регионах, в которых количество солнечных дней максимально, а значит, максимально и количество вырабатываемого электричества.
Ветроэнергетика — это альтернативная энергетика, которая ограничивается непостоянством ветра, как источника энергии. Усиление последнего способствует приращению кинетической энергии, которая в свою очередь может быть преобразована в механическую (например, при помоле зерна или перекачивания воды) или электрическую энергию [1].
Более современное использование данной энергии отражается в ветряных установках, которые вырабатывают электричество. Лопасти заряжают аккумулятор, от которого ток подается в преобразователи, в которых постоянный ток преобразуется в переменный ток. Выделяют следующие виды производителей ветряной энергии (электростанции), каждая из которых обладает своей особенностью: 1) наземные; 2) шельфовые; 3) прибрежные; 3) плавающие; 4) парящие.
Практическая часть исследования посвящена поиску и изучению альтернативных источников энергии, генерируемые солнцем и ветром на территории Челябинской области. С этой целью я отправился в районный центр Чесма, где познакомился с увлеченным, умным, хозяйственным жителем Василием Петровичем Юшиным. Василий Петрович живет в своем доме всего несколько лет. Но столько интересного он рассказал и показал. Человек, увлеченный физикой и красотой уральского камня. Пока строил свой дом, пришлось экономить — денег не хватало, родилась идея придумать для своего дома уникальный проект.
Инженер — электрик, до выхода на пенсию, придумал, как использовать энергию ветра рационально, проведя светодиодную ленту (один из самых экономичных потребителей электричества). А на крыше, чуть слышно легкое шуршание. Поднимаем глаза вверх и наблюдаем маленький ветряной генератор. Он способен поймать любой, даже самый легкий ветерок, благодаря направляющим, расположенным вокруг устройства. Вертикальные лопасти немного изогнуты. Чем сильнее они крутятся, тем устойчивее конструкция ветряного генератора. Крутится он всегда: степи и дефицита ветра практически не бывает. Ветрячок заряжает аккумулятор. Вот такой эко — способ получать освещение и не тратить электричество. Василий Петрович делает сувениры из уральских камней, чтобы получить цветную гальку, галтовочный барабан (на основе бетономешалки) должен вращаться без остановки минимум две недели. Наблюдаем экономию, за счет вырабатываемой энергии самодельным ветряным генератором. Изобретение представлено на рисунке 1.
Рис. 1. Самодельный ветряной генератор
Для того чтобы сэкономить на дровах в межсезонье, Василий Петрович придумал солнечные батареи — рисунок 2.
Рис. 2. Самодельная солнечная батарея
Герметичный ящик высотой, примерно 1 метр и длиной около 5 метров прикреплен на земле к солнечной стороне дома. Нас интересовал принцип работы самодельная солнечная батарея. На что я получил исчерпывающий ответ. Внутри — черная металлическая пластина, поглощающая свет и дающая тепло в две трубы, покрытая сверху стеклом. В солнечный день весной или осенью воздух внутри коробки нагревается до 45–50 градусов и вентилятором разносится под полом комнат. Это существенная экономия электричества и дров. До поздней осени, до морозов дом обогревается солнечной энергией, а не электронагревателями, не батареями и не топкой печи.
Отметим еще одно изобретение Василия Петровича. Это солнечный коллектор, изготовленный из спутниковой антенны «ЯМАЛ» и обклеенной кусочками зеркал (рисунок 3). В солнечный день коллектор становится подсобной электроплитой. На нем можно было растопить воск, вскипятить воду, сварить картошку и наверно многое другое «лишь бы в хозяйстве пригодилось»!
Рис. 3. Солнечный коллектор
И еще один, очень замечательный пример применения солнечной энергии появился совсем недавно в нашем поселке Петропавловский. Возле школы был установлен светофор, который работает от солнечной батареи (рис. 4).
Рис. 4. Светофор, работающий на солнечной энергии
Таким образом, проведенное исследование позволило мне, познакомится с историей становления и развития альтернативных источников энергии, разобраться в вопросах перспектив их использования с целью бережливого отношения к природе. Полученный теоретический пласт информации был закреплен приобщением к практической его части. Выражаю благодарность своим научным руководителям, а также Юшину В. П. за ценные советы и замечания в процессе написания данной исследовательской работы.
Литература:
- Беккерель А. Теоретико-групповые методы в физике. — М.: Наука, 1980. — 354с.
- Иоффе А. Ф. Элементарный фотоэлектрический эффект. Магнитное поле катодных лучей. СПб., 1913. — 261 с.
- Макаров А. А. Мировая энергетика и Евразийское энергетическое пространство. — М.: Энергоатомиздат, 1998. — 280 с.
