До питання вивчення енергетики в школі

До питання вивчення енергетики в школі

Небога А. О., Трифонова О. М.

Актуальність проблеми. За час існування нашої цивілізації багато разів відбувалася зміна традиційних джерел енергії на нові, досконаліші. І не тому, що старе джерело було вичерпане. Сонце світило і обігрівало людину завжди, проте коли люди винайшли вогонь — почали палити деревину. Потім деревина поступилася місцем кам’яному вугіллю.

Запаси деревини здавалися безмежними, але парові машини вимагали іншого палива — вугілля, яке незабаром поступається своїм лідерством на енергетичному ринку нафті. І ось новий виток: в наші дні провідними видами палива поки що залишаються нафта і газ, але їх видобуток ускладнюється, а отже вартість їх зростає.

Потрібний новий лідер енергетики. Ним можуть стати ядерні джерела, адже на одиницю ваги уран містить в собі енергії в мільйони разів більше, ніж вугілля. А підсумок такий: при отриманні електроенергії на АЕС треба витратити набагато менше засобів і праці, ніж при отриманні енергії з вугілля чи нафти.

Отже, ядерне пальне приходить на зміну нафті та вугіллю. Завжди було так: наступне джерело енергії було потужнішим за попереднє. Але при цьому варто наголосити школярам на тих наслідках для оточуючого середовища, які несе за собою будівництво та експлуатація АЕС.

Учні мають знати, що у кінці XX ст., починається новий, значний етап земної енергетики. Вчені всього світу досліджують проблему раціонального використання енергії та мінімальної шкоди для біосфери.

При вивченні в школі питань енергетики розглядаються питання: 1. Ядерна енергетика; 2.Проблеми розвитку ядерної енергетики; 3.Розвиток ядерної енергетики в Україні; 4.Екологічні проблеми ядерної енергетики, але не приділяється належної уваги вивченню отримання енергії від нетрадиційних джерел: Сонця, вітру, надр Землі, Світового океану. Хоча наука ці питання активно вивчає. Крім того, на нашу думку, не належним чином в шкільному курсі фізики представлені перспективи розвитку енергетики у майбутньому.

Аналіз проблеми дослідження. Проблемами удосконалення змісту шкільного курсу фізики займалися О. І. Бугайов, С. П. Величко, В. П. Вовкотруб, С. У. Гончаренко, Є. В. Коршак, М. І. Садовий та інші.

Отже, Метою даної Статті є запропонувати один з варіантів вивчення нетрадиційних джерел енергії та показати учням можливі перспективи здобуття енергії у майбутньому.

Зокрема учням слід наголосити, що геліоенергетика у всьому світі розвивається швидкими темпами і в самих різних напрямах. Геліоенергетичні програми розробляються більш ніж в 70 країнах. Сонячні пристрої слугують для опалювання і вентиляції будівель, опріснення води, виробництва електроенергії. Використовуються такі пристрої в різних технологічних процесах. З’явилися транспортні засоби з сонячним приводом: геліовелосипеди, геліомопеди, моторні човни, яхти, дирижаблі з сонячними панелями.

Створені на сонячних батареях моделі автомобілів, які перетинають країни і континенти зі швидкістю, що майже не поступається швидкості звичайних автомобілів.

Вже більше п’ятнадцяти років німецьке селище, розташоване на околиці Баварського лісу, повністю живиться енергією від геліоенергетичної установки з 840 плоских сонячних батарей загальною площею 360 м2. Потужність кожної батареї — 50 Вт. Вночі і в похмуру погоду струм забезпечує батарея свинцевих акумуляторів, заряджених в ті години, коли сонячної енергії є з надлишком.

Найбільша геліоелектростанція світу почала працювати в Швейцарії. Площа її сонячних батарей — 4500 м2, при повному освітленні потужність електростанції досягає 500 кВт. Цього вистачає на селище з двохсот однокімнатних котеджів.

В університеті Штутгарту сконструйований літак, мотор якого живиться енергією сонячних батарей, розташованих на його крилах з розмахом 25 м. З вантажем до 90 кг він злітає із злітного майданчика, покритого травою, і розвиває швидкість до 120 км/год.

Французький пілот Гуго Дюваль розігнався на електричному аероплані Cri-Cri до 283 км/год. У минулому році цей же апарат під його кермуванням був на 21 км/год повільніше. Двомоторний одномісний літак Cri-Cri — апарат ручної зборки із 40-річною історією.

За цей час в повітря піднялася лише пара сотень таких машин, а про серійне виробництво Європейський аерокосмічний і оборонний концерн задумався лише торік.

Модель-рекордсмен MC15E Cri-Cri F-PZTU «E-Cristaline» — дітище французького виробника Electravia, який змінив паливні мотори і стандартні гвинти на електродвигуни GMPE 104 і пропелери власної конструкції. Потужність кожного двигуна складає 35 л. с., а харчуються вони від літій-полімерної батареї компанії Kokom, що виробляє за годину 3 кВт енергії. За рахунок каплеподібних обтічників профільний опір було знижено на 46%.

Наприкінці минулого року E-Cristaline розвинув швидкість 262 км/год, що на 12 км/год перевищила рекорд, встановлений в 2009-му апаратом SkySpark. Тепер досягнення вдалося поліпшити, і сталося це на авіасалоні в Ле Бурже після тижня демонстраційних польотів.

Швейцарські вчені запатентували прозорі сонячні батареї, які можна вставляти у віконні рами замість скла. Між двома шарами скла, покритого щонайтоншою плівкою двоокису титану з таким же тонким шаром світлочутливого пігменту, знаходиться шар електроліту з вмістом йоду. Світло, падаючи на пігмент, вибиває з нього електрони, які через електроліт потрапляють на шар двоокису титану. Усі шари такої сонячної батареї настільки тонкі, що прозорість скла практично не зменшується.

Таке скло дешевше, ніж кремнієві сонячні панелі.

Одним зі світових лідерів практичного використання геліоенергетики стала Швейцарія: більше 700 геліоустановок на кремнієвих фотоперетворювачах потужністю від 1 кВт до 1 МВт і сонячних колекторних пристроїв для отримання сонячної енергії. Геліоелектрична програма Швейцарії внесе помітний вклад в рішення екологічних проблем і в енергетичну незалежність країни, що імпортує сьогодні більше 80% енергії з-за кордону.

Крім того учням варто наголосити, що сонячна енергія відноситься до найбільш матеріаломістких видів виробництва енергії. Великомасштабне використання сонячної енергії спричиняє за собою велетенське збільшення потреби в матеріалах, а отже, і в трудових ресурсах для здобичі сировини, її збагачення, отримання матеріалів, виготовлення геліостатів, колекторів, іншої апаратури, їх перевезення.

Поки ще електрична енергія, народжена сонячними променями, обходиться набагато дорожче, ніж отримувана традиційними способами. Учені сподіваються, що експерименти, які вони проведуть на дослідних установках і станціях, допоможуть вирішити не лише технічні, але й економічні проблеми, пов’язані з широким впровадженням геліоенергії.

16 вересня 2011 року у Криму було відкрито першу сонячну електростанцію на території України.

Сонячна електростанція в Криму — це частина національного проекту, згідно з яким вже до 2015 року країна планує скоротити імпорт енергоресурсів на 30%.

Найбільшу у світі сонячну електростанцію під назвою Ivanpah будують наразі у США, в Каліфорнійській пустелі Мохаве.

Згідно з офіційним сайтом Ivanpah, заявленої потужності — 392 мегавата — буде досить, щоб забезпечити енергією 140 тисяч сімей.

Увагу учнів варто звернути і на ще одне джерело енергії — вітер. Можливості вітру люди використовують давно. Набагато пізніше вітряки стали використовувати для отримання електроенергії. Вітряк з вітроколесом діаметром до 9 м може виробляти до 3 кВт електроенергії при швидкості вітру близько 25 км/год.

На території США у багатьох сільських місцях до будівництва великих електростанцій основним постачальником електроенергії були різного роду вітроустановки.

Енергія повітряних мас, що рухаються, величезна. Запаси енергії вітру більш ніж в сто разів перевищують запаси гідроенергії усіх річок планети. Постійно і всюди на землі дмуть вітри — від легкого вітерця, що несе бажану прохолоду в літню спеку, до могутніх ураганів, що приносять незлічені збитки і руйнування.

В наші дні вітроустановки виробляють лише невелику частину вироблюваної електроенергії. Техніка XX ст. відкрила абсолютно нові можливості для електроенергетики. Створені високопродуктивні установки, здатні виробляти електроенергію навіть при дуже слабкому вітрі.

У нових проектах використовуються самі останні досягнення багатьох галузей знань.

Ще одним джерелом енергії, що заслуговує на увагу школярів є геотермальні джерела енергії. Найбільшим виявом енергії Землі є виверження вулканів. Але про безпосереднє використання енергії вулканічних вивержень говорити, не доводиться, немає доки у людей для цього технічних можливостей.

Але учням варто навести приклад маленької європейської країни Ісландії , яка повністю забезпечує себе помідорами, яблуками і навіть бананами. Численні ісландські теплиці отримують енергію від Землі, інших місцевих джерел енергії в Ісландії практично немає. Ця країна, яку називають країною вулканів і гейзерів, має близько 7 тис. гарячих джерел. Їх загальна потужність більше 1 млн. ккал/с.

Столиця Ісландії, що розташована поблизу Північного полярного круга, повністю теплофікована за рахунок термальних вод. Води гарячих джерел тут використовуються не лише для опалювання, але і для міських теплиць і оранжерей, в яких вирощують квіти, овочі і навіть цитрусові.

Варто з учнями розглянути і енергію Світового океану. Відомо, що запаси енергії у Світовому океані колосальні. Кінетична енергія океанських течій оцінюється величиною близько 1018 Дж.

Проте поки що люди уміють використовувати лише незначні долі цієї енергії. При цьому необхідні великі капіталовкладення, тому така енергетика досі здавалася малоперспективною.

Але пошукові роботи у цьому напрямку тривають. Учням слід зазначити, що найбільш очевидним способом використання океанської енергії видається спорудження приливних електростанцій . З 1967 р. в гирлі річки Ране у Франції на приливах заввишки до 13 м працює ПЕС потужністю 240 тис. кВт з річною віддачею 540 тис. кВт-год.

ПЕС побудована в 1968 р. і біля Мурманська.

Дослідження вчених направлені на конструювання генераторів електроенергії, які працювали б за рахунок морського хвилювання, причому обговорюються перспективи електростанцій з потужностями на багато тисяч кіловат. Ще більше обіцяють велетенські турбіни на таких інтенсивних і стабільних океанських течіях, як Гольфстрім.

Підбиваючи підсумки даного уроку учням варто наголосити, що в майбутньому дослідження вчених направлені на екологічно чисті джерела енергії не занадто великої потужності, але з високим ККД. Енергетика дуже швидко акумулює, асимілює, вбирає в себе усі самі новітні ідеї, винаходи, досягнення науки. Адже, енергетика пов’язана з усім, і усі тягнуться до енергетики, залежать від неї. Тому енергохімія, воднева енергетика, космічні електростанції, енергія, захована в антиречовині, кварках, «чорних дірах», вакуумі, — це всього лише найбільш яскраві штрихи «завтрашньої енергетики» .

Висновки. Отже, учням варто знати, що в наші дні, коли зросла необхідність в нових видах палива, вчені всіх галузей науки звертають все більшу увагу на нетрадиційні джерела енергії. Вивчення на уроці фізики зазначеного матеріалу змусить школярів по-новому подивитися на оточуючий світ, сприятиме формуванню в учнів бережного ставлення до багатств природи.

Бібліографія

1. Бугаев А. И. Методика преподавания физики в средней школе: Теоретические основы: / А. И. Бугаев. — М.: Просвещение, 1981. — 288 с.

2. Карпенков С. Х. Основные концепции естествознания: / С. Х. Карпенков. — М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1998. — 208 с.

3. Коршак Є. В. Науково-технічний прогрес і вивчення фізики в школі: деякі питання методики / Коршак Є. В. — К.: Рад. шк., 1972. — 96 с.

4. Садовий М. І. Становлення та розвиток фундаментальних ідей дискретності та неперервності у курсі фізики середньої школи. / М. І. Садовий. — Кіровоград: Прінт-Імідж, 2001. — 396 с.

5.