Конспект урока-лекции на тему "Человечество и энергия"

Урок - лекция (физика – 11 класс)

Тема урока «ЧЕЛОВЕЧЕСТВО И ЭНЕРГИЯ»

Цель: рассмотреть пути решения неизбежно надвигающегося глобального энергетического кризиса.

Задачи:

1. Выделить энергетику - как одно из приоритетных направлений экономического и научно-технического развития России в XXI в.

2. Рассмотреть альтернативные источники энергии как возможные варианты преодоления энергетического кризиса, выявив их преимущества и недостатки.

3. Обратить внимание на экологическую составляющую каждого из альтернативных источников энергии.

Учебные вопросы:

1. Неизбежность глобального энергетического кризиса.

2. Альтернативные источники энергии:

а) Энергия Солнца;

б) Энергия ветра;

в) Энергия океана;

г) Геотермальная энергия.

3. Что же поможет решить глобальный энергетический кризис?

Ход урока.

1. Орг.момент.

2. Постановка проблемы:

3. Изучение нового материала:

4. Итоги урока. Рефлексия

5. Домашнее задание

Ш. Изучение нового материала

Первый учебный вопрос:

Где начало того конца, которым оканчивается начало?

К. Прутков

Еще в 1996 г. премьер-министром России были утверждены приоритетные направления развития отечественной науки и техники, а также критических технологий федерального уровня, определённые правительственной комиссией по научно-технической политике. К ним отнесены направления и технологии, которые признаны наиболее перспективными с точки зрения экономического и научно-технического развития России в XXI в. и которые государство обязуется курировать и финансировать. Список приоритетов таков:

• Фундаментальные исследования;

• Информационные технологии и электроника;

• Производственные технологии;

• Новые материалы и химические продукты;

• Технологии живых систем;

• Транспорт;

• Топливо и энергетика;

• Экология и рациональное природопользование.

Учитывая важность затронутого вопроса, я предлагаю поговорить об одном из перечисленных приоритетов – об энергетике.

Общепризнано, что основным фактором, определяющим развитие материальной культуры, является создание и использование источников энергии. Энергия – это самый главный носитель технического прогресса и повышения жизненного уровня человека.

По данным ООН, современный средний уровень потребления энергии в год на человека составляет порядка 5 кВт на одного человека, существующий уровень наиболее развитых стран – 14 кВт.

Получение, преобразование и консервирование энергии – это фундаментальные процессы, изучаемые различными отраслями наук. Основная закономерность, которую установила физика – закон сохранения энергии. На основании этого закона предсказывается глобальный кризис в получении энергии. Неизбежность глобального энергетического кризиса сейчас полностью осознана, и поэтому энергетическая проблема для науки и техники стала проблемой номер один. В настоящее время в качестве основных энергетических ресурсов используется органическое топливо: нефть, природный газ, уголь, торф. Запасы химической энергии в органическом топливе были накоплены за долгое время существования Земли благодаря биологическим процессам. Поэтому, на основе закона сохранения энергии человечество, если оно не найдет других источников энергии, будет поставлено перед необходимостью ограничения её потребления. А это приведет к снижению уровня материального благосостояния человечества.

Эра энергии полезных органических ископаемых, едва начавшись, вероятнее всего, вскоре и закончится. Можно назвать, по меньшей мере, три причины, подтверждающие этот прогноз:

- количество полезных ископаемых ограничено,

- их использование загрязняет окружающую среду,

- их запасы невосполнимы.

Так, например, считается, что уголь, нефть и газ невозобновляемые источники энергии лишь постольку, поскольку сегодняшний темп их использования в миллионы раз превышает темп образования.

Академик А.Е. Шейндлин считает, что «существует три пути решения глобальных энергетических проблем будущего: нахождение новых источников энергии, более эффективное использование существующих, и наконец, рациональное расходование добытой энергии».

В последнее время повсеместно возрастает внимание к использованию возобновляемых источников энергии: солнечной энергии, энергии ветра, морей и океанов, геотермальному теплу подземных источников, т.е. глубинное тепло Земли.

Строго говоря, гидроэнергетические ресурсы – также разновидность возобновляемых источников энергии. Производство электроэнергии на ГЭС полностью освоено и является широкоразвитым направлением большой энергетики. Если рассматривать в энергетическом плане сток рек всего земного шара, то получится огромная цифра, показывающая, что каждый год мы могли бы использовать без всяких затрат на добычу мощность ГЭС, составляющую 210·10⁹ кВт, причем неограниченное число лет.

Однако, экономически целесообразным считается использование электроэнергии мощностью всего 7·10⁹ кВт, т.е. приблизительно 3,3% от возможной выработки электроэнергии. Это связано с тем, что запруживание рек с подъемом воды на небольшую высоту обычно экономически не оправдывает себя, в особенности, когда затоплению подлежат плодородные земли, так как приносимый урожай оказывается значительно более ценным, чем получаемая энергия.

Также существует фактор негативного воздействия на окружающую среду – засоление и ощелачивание плодородных земель.

Кроме того, малоизученным последствием строительства плотин ГЭС является, по мнению некоторых сейсмологов и геологов, так называемая «наведенная сейсмичность» в зоне расположения мощных гидроузлов и больших по объему водохранилищ. Влияние самих водохранилищ на локальные климатические условия носит двойственный характер – охлаждающего и отепляющего воздействия. Поэтому, преобразование гидроэнергии в электричество по сравнению с другими видами возобновляемых источников энергии приводит к значительным воздействиям на окружающую среду. Поэтому задача строительства ГЭС сводится к решению с их помощью комплексных проблем: строительство ГЭС целесообразно как для выработки электроэнергии, так и для развития речного судоходства, сельского и рыбного хозяйства, а также вблизи энергоёмких предприятий, которые могли бы использовать дешевую энергию гидростанций без сооружения для этих целей дополнительных линий электропередачи.

Второй учебный вопрос:

Я предлагаю поговорить об освоении вышеперечисленных новых, альтернативных, источников энергии.

а) Солнечная энергия. «Взирая на Солнце, прищурь глаза свои, и ты смело разглядишь на нем пятна» К.Прутков.

Вся солнечная энергия, достигающая поверхности Земли, составляет около 2,2·10²¹Дж в год. Солнечная энергия представляет «вечный» и потенциально огромный источник энергоснабжения, не вносящий каких-либо загрязнений в окружающую среду. Однако известны и недостатки солнечной энергии.

Во-первых, солнечное излучение на поверхности Земли – это источник энергии сравнительно низкой плотности. Так, на уровне моря из-за поглощения, обусловленного водяным паром, озоном и углекислым газом, поток излучения ослабевает примерно до 1000Вт/м². Это обстоятельство заставляет обычно собирать солнечную энергию с достаточно большой площади. Например, чтобы генерировать энергию мощностью 100 МВт, следует снимать электроэнергию с площади в 1кв.км.

Во-вторых, в данном месте солнечное излучение непостоянно по времени суток и подвержено колебаниям в связи с погодными условиями. Из-за этого каждая солнечная энергетическая установка должна иметь либо устройство для аккумулирования энергии, либо дублирующую энергетическую установку, использующую другой источник энергии. Эти недостатки вызывают большие затраты на установку для сбора солнечной энергии.

Типичная солнечная нагревательная система состоит из расположенных на крыше плоских коллекторов. Коллектор представляет собой черную плиту, хорошо изолированную снизу. Сверху плита прикрыта стеклом или пластмассой, которая пропускает свет, но не пропускает инфракрасное тепловое излучение. В пространстве между плитой и стеклом размещают трубопроводы с теплоносителем (вода, масло, воздух и др). Солнечное излучение, проникая через стекло или пластмассу в коллектор, поглощается трубами и плитой и нагревает теплоноситель.

В настоящее время дома, отапливаемые солнцем, строятся во многих странах – Японии, Канаде, Германии, Франции, США и других. Так, в США отопление и кондиционирование за счет солнечной энергии производится в 35% зданий.

Для повышения температуры обогреваемого объекта солнечные установки снабжаются концентраторами солнечного излучения. Концентратор представляет собой совокупность зеркал, собирающих (фокусирующих) солнечные лучи. На этом принципе основана работа так называемых солнечных печей. Крупнейшая в мире солнечная печь сооружена во Франции, в Пиренеях, с тепловой мощностью 1 МВт. Общая площадь зеркал этой печи около 2500 кв.м. в фокусе печи достигается температура порядка 3800° С, в ней можно плавить и обрабатывать самые тугоплавкие вещества.

Главным препятствием для крупномасштабного производства э/энергии на солнечных электростанциях является их высокая расчетная стоимость, которая обусловлена требованием большой площади энергоприемников и их дороговизной: стоимость 1 кВт установленной мощности составляет в настоящее время 150-300 тыс. руб.

Для прямого преобразования солнечного излучения в электричество используются полупроводниковые фотоэлектропреобразователи (ФЭП). И здесь достигнуты определенные успехи при создании установок специального назначения и небольшой мощности. ФЭП оказались практически незаменимыми источниками электрического тока в космических аппаратах. Полупроводниковые солнечные батареи впервые были установлены на третьем советском искусственном спутнике Земли, запущенном 15 мая 1958г. На Луне более года работал «Луноход-1», питаемый от солнечной батареи. Теперь же панели солнечных батарей стали привычной частью космических аппаратов.

Таким образом, в малых автономных установках, где стоимость не играет решающей роли, излучение Солнца целесообразно использовать уже сейчас.

б) Энергия ветра. «Ветер есть дыхание природы» К. Прутков.

Энергия ветра - это результат тепловых процессов, происходящих в атмосфере планеты. Различие плотностей нагретого и холодного воздуха обуславливают перемещение воздушных масс. Следовательно, первопричина энергии ветра – энергия солнечного излучения, которая высвобождается в одной из своих форм – энергии воздушных течений. Около 2% поступающей на Землю солнечной радиации превращается в энергию ветра.

Ветер – очень большой возобновляемый источник энергии. Его энергию можно использовать почти во всех районах Земли. Предпочтительность применения ветровых электростанций (ВЭС) по экономическим соображениям в сравнении с любыми вариантами, основанными на использовании органического топлива, не вызывает сомнений. Вся потенциально возможная для реализации в течение года энергия ветра по поверхности Земли оценивается в 13·10¹² кВт·ч. Для практического использования реально рассматривать 10-20% этой энергии. Трудность, однако, заключается в очень большой рассеянности энергии ветра и непостоянстве ветра, т.е. в низкой плотности потока энергии.

Ветроэнергия, что очень интересно, – один из наиболее древних источников энергии. Возраст древних ветряных двигателей точно не установлен. Но считают, что такие двигатели появились в 1700 г. до н.э. Энергия ветра широко применялась для привода мельниц и водоподъёмных устройств в глубокой древности в Египте и на Ближнем Востоке. В Европе ветряные мельницы появились в начале ХII в. В Голландии в XVII в. общая мощность ветряных мельниц составляла 50-100 МВт, что с учетом небольшой численности населения представляло собой внушительную цифру: 50-100 кВт·ч механической работы на человека в год.

Ветряные мельницы так и остались бы исторической диковинкой, если бы не энергетический кризис 70-х годов. За последние годы, как в России, так и зарубежных странах вновь наблюдается усиленное внимание к работам по ветроэнергетике. В настоящее время разработано несколько конструкций ветряных двигателей. Типичная воздушная турбина состоит из двух или трёх похожих на пропеллеры роторов, с размахом лопастей 18 м, смонтированных на высокой металлической вышке (или бетонной башне высотой 25 м). Ротор, массой около 8 т, обычно вращается со скоростью, в 5-6 раз превышающей скорость ветра. Установленный на вышке генератор преобразует механическую энергию вращения ротора в электрический ток.

Однако, использование ветряных двигателей имеет несколько проблем:

1. Двигатель необходимо останавливать, когда ветер ослабевает, и энергетические потери на трение начинают превышать количество энергии, извлекаемой из ветра;

2. Ветроколесо должно развивать максимальную мощность при любом ветре – от умеренного до сильного;

3. Если скорость ветра становится слишком большой, воздушная турбина требует автоматического отключения, чтобы избежать перегрузки генератора;

4. При перемене направления ветра турбина должна поворачиваться таким образом, чтобы наиболее эффективно его использовать.

И, тем не менее, в условиях резкого подорожания топливных ресурсов за рубежом ВЭС становятся все более рентабельными. По экономическим оценкам, выполненным в Массачусетском университете, уже в настоящее время в условиях США можно ожидать одинаковой стоимости производимой энергии на АЭС и ВЭС.

К 1987 году в СССР были созданы опытные ветроэнергетические установки мощностью до 5 МВт. По ряду показателей – надежности, удобству эксплуатации, кпд, экономичности и транспортабельности – они превосходят зарубежные образцы. А вот в ряде районов Крайнего Севера, Европейской части России, Северного Урала, Чукотки, Магаданской области и др. эти ветроэнергетические установки представляются, безусловно, рентабельными. Уже сегодня широкое практическое использование получили автономные установки мощностью всего в единицы, и даже доли киловатта. В основном они предназначены для нужд сельского хозяйства – орошения, вертикального дренажа, электроснабжения автономных потребителей. Использование ВЭС способствует сохранению окружающей среды от загрязнения, что очень существенно с точки зрения экологии.

в) Энергия океана.

Мировой океан занимает 70,8% земной поверхности и поглощает около трёх четвертей солнечной энергии, падающей на землю. Энергия океана – ещё не тронутая кладовая энергетических ресурсов. В числе установок, использующих энергию океана, в настоящее время рассматриваются приливные электростанции, волновые и электростанции морских течений, в которых происходит преобразование механической энергии океана в электрическую. Наличие температурного градиента между верхними и нижними слоями Мирового океана используются в так называемых гидротермальных электростанциях.

Приливные электростанции (ПС) – это новое направление электропроизводства. Морские приливы и отливы представляют собой, как известно, периодические колебания уровня моря, вызываемые силами притяжения главным образом Луны и в меньшей степени Солнца. Когда Солнце, Луна и Земля находятся на одной прямой, то приливная волна максимальна. А в тех случаях, когда угол Луна – Земля – Солнце составляет 90°, приливная волна минимальна. Средняя высота волны на большинстве побережий невелика и достигает всего около 1 метра, однако в некоторых местах у берегов высота приливов может достигать и более 15 метров. Так, например, в Пенжинской губе Охотского моря высота приливной волны составляет 13 м, а на атлантическом побережье Канады (залив Фанди) даже 18 м.

В простейшем варианте принцип действия ПЭС сводится к следующему: во время прилива вода наполняет какой-либо резервуар, а во время отлива вытекает из него, вращая гидравлические турбины. Это так называемая однобассейновая схема ПЭС. Несколько сложнее двухбассейновая ПЭС: в ней энергия производится как во время прилива, так и во время отлива.

Общая мощность приливов всех морей и океанов Земли оценивается в 3·10⁹кВт, что соответствует энергетическому потенциалу почти всех рек мира. Это большая цифра. Однако перспектива сколько-нибудь широкого строительства ПЭС, по мнению ученых, является весьма сомнительной. Это объясняется высокой дороговизной возведения ПЭС, а еще тем, что их использование ограничено немногими географически благоприятно-расположенными районами.

И все же ПЭС построены: это в 1966 г. во Франции, на реке Ранс, мощностью 240 МВт, и в 1968 г. в Советском Союзе Кислогубская ПЭС на побережье Баренцева моря недалеко от г. Мурманска. ПЭС имеют одно значительное преимущество: процесс производства электроэнергии на этих электростанциях является экологически чистым.

К возобновляемым источникам энергии относятся и морские волны. Морские волны порождаются ветром, их энергия определяется состоянием поверхности моря. Средняя волна высотой 3 м несет примерно 90 кВт мощности энергии на 1 м длины фронта волны. Однако практическая реализация данной энергии вызывает большие сложности. В настоящее время запатентован ряд технических решения по преобразованию энергии волн в электрическую. В Японии используется энергия волны для автономного энергоснабжения плавающих буев.

В состоянии подготовки к технической реализации находятся работы по использованию энергии океанических течений для производства электроэнергии. Предполагается в районах относительно сильных течений установить турбины с диаметром рабочего колеса 170 м и длиной ротора 80 м, изготовленные из алюминиевого сплава, с возможным сроком службы не менее 30 лет. Потоки воды океанического течения вращают лопасти турбины, а через систему мультипликаторов, повышающих число оборотов, вращают соединенный с трубой электрогенератор. По оценкам специалистов, стоимость производимой электроэнергии на подобных электростанциях ожидается в 1,8 раза ниже, чем на ТЭС, и в 2,4 раза ниже, чем на АЭС.

В настоящее время уделяется определенное внимание энергетическому использованию температурного градиента различных слоев воды в морях и океанах, то есть созданию гидротермальных электростанций. Экспериментальные образцы автоматической энергетической установки гидротермального типа демонстрировались в Японии и США в 80-х годах 19 века. В США предполагается построить непосредственно гидротермальную электростанцию мощностью 1 МВт, на которую возлагается надежда экономии нефти до 63 тыс. т. в день. Вовлечение огромных ресурсов энергии океанов в энергопроизводство проявится в минимальном отрицательном воздействии на окружающую среду.

г) Геотермальная энергия.

Проблема использования тепла Земли для производства энергии представляет большой интерес. Геотермальная энергия – практически неисчерпаемый источник энергии. Известно, что с увеличением глубины земных слоёв температура повышается. Это приводит к тому, что из недр Земли к её поверхности непрерывно течет тепловой поток значительной мощности, по расчетам в 30 раз больший мощности всех электростанций мира. В настоящее время ведется интенсивное исследование проблемы использования геотермальных ресурсов (подземных запасов горячей воды и пара; источники, связанные с теплотой сухих горных пород) для производства электроэнергии.

Первая успешная попытка использовать тепло Земли для производства электричества была осуществлена в Лордерелло (Италия) в 1904 г., где в паротурбинном цикле стали использовать выходящий из земли сухой пар. Мощность этой ГеоТЭС сейчас составляет 390 МВт.

Сегодня в мире нет ещё достаточно опыта, чтобы надежно оценить все стоимостные показатели геотермальной энергии, но ясно одно, что освоение геотермальных источников связано с весьма большими финансовыми затратами. К тому же, опыт эксплуатации ряда зарубежных ГеоТЭС, в том числе крупнейшей в мире станции «Большие гейзеры» (США, 12,5 МВт), показал, что ряд факторов, связанных с их работой, отрицательно воздействует на окружающую среду. К ним, прежде всего, относится сероводород, содержащийся в паре. Присутствие сероводорода в воздухе создает неприятный запах и может вызвать коррозию оборудования и материалов. В термальных водах растворено много вредных веществ, таких, как мышьяк, селен, ртуть. Сбрасывать такую воду в естественные водоёмы можно далеко не всегда. При обсуждении экологических вопросов использования геотермальных энергоустановок необходимо также помнить, что извлечение больших количеств воды и пара на поверхность может влиять на микроклимат местности, повлечь за собой неустойчивость земной коры и землетрясения. Достаточно радикальным является метод закачки сбросовых вод в непродуктивные скважины. Но такая закачка удорожает эксплуатацию геотермальных месторождений.

И все же работы по изучению проблемы использования геотермальной энергии ведутся во многих странах мира, так как запасы её неистощимы. Кроме того, в отличие от солнечной энергии, которая имеет колебания не только суточные, но и в зависимости от времени года и от погоды, геотермальная энергия может генерироваться непосредственно. Предполагается, что при соответствующем развитии ГеоТЭС, энергия, вырабатываемая ими, будет стоить дешевле энергии, полученной любыми другими путями.

Третий учебный вопрос:

К сожалению, широкомасштабное использование рассмотренных альтернативных источников энергии требует значительных доработок, длительного времени и колоссальных финансовых затрат, и как следствие, - это задача необозримого будущего.

Поэтому, вся надежда на решение глобального энергетического кризиса возлагается на использование ядерной и термоядерной энергетики. Атомная энергетика, как и другие виды энергии, не может быть совершенно чистой и не влиять на окружающую среду. А вот термоядерные реакторы с дейтерий-тритиевым топливом имеют значительные преимущества перед ядерными реакторами с точки зрения, опять-таки, влияния на окружающую среду. Это связано с гораздо менее летучими радиоактивными отходами, меньшей уязвимостью при утечках теплоносителя и других аварийных ситуациях.

Но вопрос эксплуатации термоядерного реактора связан с проблемой управления термоядерной реакции синтеза. Решение данной проблемы связано с большими материальными затратами, на которые не возможно выделить государственные средства ни в одной стране, это под силу только группе государств. И поэтому надежды связывают с коммерческим термоядерным реактором. Когда же он будет? На этот вопрос отвечает академик Е.П.Велихов:

«Я думаю, что для осуществления планового перехода к неисчерпаемому источнику энергии уже в этом, двадцатом, столетии нам следовало бы общими усилиями сделать экспериментальный термоядерный реактор. Это было бы, конечно, существенным шагом вперёд. Мы бы точнее узнали, на что можно рассчитывать и какие дальнейшие усилия нужно прилагать… Не будь международного сотрудничества, результаты были бы беднее… Сейчас мы имеем эскизный проект установки. Ничего подобного в научной практике еще не было, и ни одна страна самостоятельно такого эскизного проекта не могла бы сделать. Субъективно и объективно управляемый синтез – это уникальная область для сотрудничества. К военным целям исследования по магнитному удержанию плазмы отношения не имеют, коммерческой тайной это ещё не стало. Все понимают, что управляемый термоядерный синтез нужен и сотрудничество выгодно всем. И на него надо в дальнейшем опираться. А в одном из своих выступлений академик Л.А. Арцимович сказал, что «проблема управляемой термоядерной реакции будет непременно решена, если у человечества возникнет в ней реальная потребность».

Думается, что такое время уже настало. Но это тема уже для другого разговора.

1. Итоги урока:

Микротест (предлагается в конце урока для стимулирования ученика быть внимательным на уроке изучения нового материала, для тренировки его памяти.

С утверждениями, представленными ученикам нужно либо согласиться, либо не согласиться (поставить «+» или «-» перед номером каждого утверждения)).

1. Глобальный энергетический кризис предсказывается законом сохранения электрического заряда.

2. Чтобы генерировать солнечную энергию, ее следует снимать с огромной площади.

3. Одна из проблем использования ветряного двигателя: двигатель необходимо останавливать, когда ветер ослабевает, так как это энергетически не выгодно.

4. Геотермальная энергия – экологически чистый вид энергии.

5. Решить энергетический кризис поможет ядерная энергетика.

1. Домашнее задание. Подготовить проекты – презентации по «Альтернативным источникам энергии»