Заводы по производству электричества

План-конспект открытого занятия

«Заводы» по производству электричества»

Составитель: Руколь Татьяна Михайловна, педагог дополнительного образования, I квалификационной категории, объединение по интересам «Юный аниматор»/

Тип занятия: занятие открытия нового знания с элементами опытно-экспериментальной деятельности.

Цели: сформировать у учащихся представление о типах существующих электростанций, о производстве электрической энергии в Республике Беларусь, об альтернативных источниках энергии.

Задачи:

познакомить с основными типами существующих электростанций в Республике Беларусь;

формировать представления о способах производства электроэнергии;

актуализировать знания об альтернативных источниках энергии;

формировать представления об устройстве и способе работы солнечной батареи;

выполнить лабораторную работу по определению баланса между значениями напряжения и тока у разных источников энергии (батарея, ручной генератор, солнечная батарея, ветряная мельница, жидкостный источник энергии);

воспитывать навыки сотрудничества, взаимопомощи.

Оборудование: компьютерная презентация «Заводы по производству электричества» (приложение 5, электронный вариант на диске), электронный конструктор «Знаток».

Ход занятия

I. Организационный этап слайд 1

(Педагог и учащиеся приветствуют друг друга, выявляются отсутствующие)

II. Повторение пройденного материала слайд 2-3

– Что общего между троллейбусом и пылесосом?

– Назовите другие устройства, в которых используется электродвигатель?

– Давайте вспомним, как устроен электродвигатель?

Ни одна сфера жизнедеятельности человека сегодня не обходится без электродвигателей. Электродвигатели поднимают большие грузы на стройках, приводят в движение различные станки на заводах, передвигают общественный транспорт по городу, циркулируют воздух по вентиляционным каналам, помогают готовить еду на кухне и охлаждают детали наших компьютеров. Да что там говорить, если они присутствуют даже в детских игрушках. Но все это благодаря электричеству!

слайд 4

III. Основной этап

– Откуда берётся электричество? Как откуда?! Из настенных розеток, к кото­рым тянутся провода от телевизора и компьютера. А ещё из патронов, куда вкручиваются электрические лампочки. Или из маленьких батареек, которые вставляют в пульт от телевизора или в карманный фонарик.

слайд 5

Но про розетки и патроны это, конечно, в шутку! Вы уже очень многое узнали об электричестве. На самом деле электричество «рождается» на многих и очень разных электростанциях: тепловых, атомных, приливных, ветровых, ги­дроэлектростанциях. И прежде, чем попасть к нам, ему предстоит проделать немалый путь по проводам ЛЭП – линий электропередач.

У тебя дома на нём работают пылесос, холодильник, стиральная машина, кондиционер, оно нагревает конфорки кухонной плиты. Кухонный комбайн тоже электрический, как и звонок в дверях, как и мотор на котором работает лиф. А на улицах электричество приводит в движение троллейбусы и трамваи, под землёй – вагоны метро. Электровозы ведут тяжёлые поезда на железных дорогах. На фабриках и заводах от электричества работают станки. В тёмное время оно даёт свет.

слайд 6

Электростанции – это самые настоящие «заводы» по производству электричества. Одни из них находятся далеко от нашего города, а некоторые могут быть в двух шагах от дома, где ты живёшь (например, ТЭЦ возле завода «Монолит»). слайд 7

Если ты видел среди жилых домов стройный ряд высоких труб, а рядом с ними такой же ряд загадочных конусообразных сооружений, то знай – это тепловая электростанция. В больших городах такие электростанции обычно называются ТЭЦами– сокращение от слова «теплоэлектроцентраль». Дело в том, что они производят не только электроэнергию, но и обеспечивают централизованные системы горячей водой и паром.

Словом, ТЭЦ не только производит электричество, но и нагревает батареи в комнатах квартир, обеспечивает горячей водой, питает самые разные двигатели и устройства оно ещё и освещает наши дома и улицы. слайд 8

Тепловая электроэнергетика – это основная отрасль энергетики в Беларуси. Тепловую электроэнергию используют в промышленности и коммунальном хозяйстве по всей стране.

Электроэнергия вырабатывается на тепловых электростанциях. Электростанции этого типа называются тепловыми ещё и потому, что электричество на них производится с помощью тепловой энергии, при сжигании угля, газа или нефти. Сгорая, они нагревают воду, проходящую в котлах по системе труб, и превращают её в пар.

слайд 9

Первые генераторы «крутили» паровые машины. слайд 10

Оказалось, куда выгоднее использовать для этого паровые турбины. Это большие «колёса» с лопатками, на которые под большим давлением подаётся струя пара. Давление заставляет их крутиться с огромной скоростью до трёх тысяч оборотов в минуту. А паровые турбины в свою очередь приводят в движение генераторы, вырабатывающие электричество.

слайд 11

слайд 12-13

Напомним! Что электрический двигатель представляет собой обратимую машину. Это значит, что он безо всяких изменений в его конструкции способен выполнять два совершенно противоположных действия. Когда его питает ток от внешнего электрического источника, ротор начинает вращаться. А если наоборот раскрутить ротор какой-нибудь внешней механической силой, например, той же паровой машиной, то «бывший» электродвигатель начинает сам производить электричество.

Так электродвигатель превратился в электрический генератор – источник электрического тока, причём неиссякаемый, в отличие от электрических батарей, где химические реакции, производящие заряженные частички, рано или поздно завершаются. Про аккумуляторы и батарейки мы тогда говорим, что они «сели». А генератор может работать сколько угодно, пока его «крутит» какая-либо внешняя сила. И производимый им ток можно подавать по проводам точно к такой же электрической машине, чтобы она работала уже в качестве двигателя.

«Противо­положность» электродвигателя – генератор точно так же совершенствовалась, пока он не превратился в мощную, надёжную машину. Теперь генераторы работают на многочисленных электростанциях, разбросанных по всему свету.

Просмотр видео слайд 14

Самая крупная электростанция Белоруссии – Лукомльская ГРЭС.

слайд 15

слайд 16

Есть за что благодарить тепловые электростанции. Заслуги у них очень большие, да вдобавок именно тепловые электростанции были первыми в истории человечества «заводами», вырабатывающими электричество. Но со временем стали строить и другие электростанции. Вместо тепловой энергии от сгорающего топлива здесь используется энергия падающей воды. Такие производители электричества называются гидроэлектростанциями – сокращённо ГЭС. слайд 17

Возможно, кому-то из вас уже случалось плавать на теплоходе по какой-нибудь крупной реке. Тогда кораблю приходится заходить в камеру шлюза, чтобы подняться вместе с постепенно наполняющей её водой на другую водную «ступень», или наоборот опуститься.

Такие «ступени» создают на реках мощные плотины гидроэлектростанций. Это огромные стены из крепкого бетона, поставленные поперёк реки преграждая её течение. Перед плотинами образуются огромные водохранилища, а за ними уровень воды ниже на десятки, а то и сотни метров. Поэтому иной раз шлюзы – пропускные «ворота для кораблей – приходится делать у плотин даже двухкамерными. Огромный перепад высот за один приём не преодолеешь.

Плотина – не только огромное, но и сложно инженерное сооружение. Ведь строителям приходится предусмотреть очень многое. Не только построить шлюзы для кораблей, но и обеспечит сток избыточной воды, чтобы водохранилище не переполнялось. Устроить специальные проходы для рыб, чтобы плотина не стала для них непреодолимой преградой.

слайд 18

И чем выше плотина, тем лучше для производства электричества. Вода из водохранилища поступает в специальные трубы, проложенные внутри плотины, и падает с большой высоты, набирая скорость, к лопаткам огромных гидротурбин. Этот мощный напор и заставляет их крутиться. Скорость вращения гидротурбин, правда, намного меньше, чем у паровых, зато размеры огромны – диаметр колеса может превышать 10 метров.

Гидротурбины, установленные в каналах с мчащейся водой, соединены с генераторами, которые стоят над ними в огромном машинном зале гидроэлектростанции. Он может размещаться как в толще самой плотины, так и в специальном здании уже позади неё. И огромных генераторов, работающих в этом зале, могут быть десятки.

Словом, крупные гидроэлектростанции намного мощнее тепловых.

слайд 19

На самой большой по мощности в мире гидроэлектростанции «Три ущелья» на китайской реке Янцзы 32 генератора, а высота её плотины 185 метров. Плотина гидроэлектростанции «Итайпу» на реке Паране в Южной Америке ещё выше – 196 метров. Но генераторов на ней меньше – «всего» 20. Самая большая гидроэлектростанция в России – это «Саяно-Шушенская» на сибирской реке Енисее. На ней работают 10 генераторов, а плотина высотой в 242 метра.

– А в нашем городе есть ГЭС?

слайд 20

слайд 21

Наверняка вы знаете о том, что существуют и атомные электростанции – АЭС. Но атом – слово для нас пока тоже загадочное. А ядерный реактор – вообще загадка из загадок. Можно конечно, предположить, что раз на атомной электростанции есть ядерный реактор, то именно нём и рождается «атомное» электричество...

На самом деле всё не так! Если не вникать сложности, ядерная реакция сопровождается выделением огромного количества тепла. Оно, как и в обычной тепловой электростанции, на АЭС используется для нагревания воды и превращения её в пар. А дальше, как на той же тепловой электростанции, пар под огромным давлением подаётся на лопатки паровых турбин, раскручивая их до огромных скоростей. А они в свою очередь крутят роторы генераторов, вырабатывающих электричество.

Только в сравнении с тепловыми электростанциями АЭС намного выгоднее. Ведь здесь не приходится сжигать дорогое топливо. И для них не надо перекрывать реки, сооружая огромные плотины. К тому же мощность АЭС может быть очень большой. слайд 22

Теперь атомные электростанции работают во многих странах. Самая мощная из них – Касивадзаки-Карива в Японии. А самая первая АЭС была построена в России, в городе Обнинске в нескольких десятках километров от Москвы, ещё в 1954 году.

слайд 23

У нас в Беларуси полным ходом идет строительство атомной электростанции в Островце.

Атомная энергия, правда, очень грозная сила. Случалось, она вырывалась из-под контроля человека, неся беду. И тому пример авария на Чернобыльской атомной электростанции. Поэтому отношение к АЭС может быть разным. Кое-кто считает, что их вообще лучше не строить. И всё-таки без АЭС человечеству уже не обойтись, ведь электричества требуется всё больше и больше. Надо только создавать совершенные системы защиты, которые сделают АЭС полностью безопасными.

слайд 24

А какие ещё бывают электростанции, кроме тепловых, ГЭС и АЭС? Самые разные! Это зависит от их географического положения. На морских побережьях строятся, например, приливные электростанции. Во время приливов и отливов уровень моря может подниматься и опускаться на десяток с лишним метров. Опускаясь, вода крутит на приливных электростанциях лопасти гидротурбин, соединённых с генераторами. Словом, очень похоже на ГЭС, только вместо реки море или океан.

слайд 25

Там, где дуют сильные ветры, строят ветроэлектростанции. Генераторы оснащают лопастями и устанавливают на высоких опорах. Целые шеренги таких крутящихся «ветряков» можно увидеть, например, на побережье Дании.

слайд 26

А в Новой Зеландии, Исландии и других краях, где в избытке подземное тепло, из-за которого на поверхность выбиваются огром­ные фонтаны горячей воды и пара гейзеры, устраивают геотермальные электростанции. Здесь подземный пар под давлением подаётся к паровым турбинам.

слайд 27

А там, где много солнечных дней, электроэнергию вырабатывает само наше светило. «Впрячь» в работу Солнце можно разными способами. Например, с помощью огромных вогнутых зеркал концентрировать солнечное тепло, используя его опять-таки для превращения воды в пар, который крутит паровые турбины, соединённые с генераторами.

Есть и другой способ. В южных странах иной раз крыши зданий целиком покрыты солнечными панелями. Они состоят из особых преобразователей — фотоэлементов, которые напрямую превращают солнечную энергию в электрический ток.

История создания солнечных батарей прошла длинный и тернистый путь и берёт своё начало в 19 веке, когда французский физик Антуан-Сезар Беккерель представил созданную им химическую батарею, которая под воздействием солнца вырабатывала электричество, КПД этой батареи составил всего 1%.

В 1905 году Альберт Эйнштейн дал объяснение фотоэффекту, после чего появились надежды на создание солнечных батарей с более высоким КПД.

В 1954 году Гордон Пирсон, Дэррил Чапин и Кэл Фуллер произвели кремниевый солнечный элемент, имеющий КПД 4%. В дальнейшем эффективность ячейки была повышена до 15%. Все годы, прошедшие со дня создания первой батареи, шло постепенное совершенствование солнечных батарей, увеличился их КПД. Как же работают и устроены солнечные батареи?

слайд 28

Принцип работы солнечных батарей заключается в эффекте полупроводников. Кремний является одним из самых эффективных полупроводников, из известных человечеству на данный момент. При нагревании фотоэлемента (верхней кремниевой пластины блока преобразователя) электроны из атомов кремния высвобождаются, после чего их захватывают атомы нижней пластины. Согласно законам физики, электроны стремятся вернуться в свое первоначальное положение. Соответственно, с нижней пластины электроны двигаются по проводникам (соединительным проводам), отдавая свою энергию на зарядку аккумуляторов и возвращаясь в верхнюю пластину.

Основными элементами являются блоки преобразователей. Это и есть фотоэлемент, состоящий из материала-полупроводника, которым является кремний. Можно сказать, что солнечные батареи состоят из каркаса и двух тонких слоев кремния, который может быть нанесен на поверхность разными методами. От метода нанесения кремния зависит стоимость батареи, а также ее эффективность.

слайд 29

Еще в 1970 г. Ж.И.Алфёровым и его сотрудниками были созданы солнечные батареи на основе гетероструктур. Технология была передана в НПО «Квант», и солнечные элементы на основе GaAlAs устанавливались на многих отечественных спутниках. Когда американцы опубликовали свои первые работы, советские солнечные батареи уже летали на спутниках. Одна из них, установленная в 1986 году на космической станции "Мир", проработала на орбите весь срок эксплуатации без существенного снижения мощности.

В массовом производстве КПД солнечных батарей на кремнии не превышает 15%. КПД солнечных кремнеевых батарей на основе полупроводниковых гетероструктур (производство которых пока сложно назвать массовым) равен 25–26%, при этом рекордная величина – 40%.

Россия планирует расширить производство солнечных кремнеевых батарей на основе полупроводниковых гетероструктур. Лауреат Нобелевской премии по физике, академик Жорес Алферов, занимается усовершенствованием этих панелей. Производство солнечных элементов с применением полупроводниковых гетероструктур Алфёрова позволит снизить стоимость батареи вдвое и вдвое увеличить КПД, что позволит снизить срок окупаемости батарей с 10–12 до 3–4 лет.

По словам Жореса Алфёрова, солнечная энергия перспективное направление энергетики и через лет десять фото электроэнергетика будет экономически выгодной, а через 30 лет, имеет все шансы, вытеснить углеводородную и атомную энергетику. слайд 30-32

IV. Лабораторная работа: «Определение баланса между значениями напряжения и тока у разных источников энергии (батарея, ручной генератор, солнечная батарея, ветряная мельница, жидкостный источник энергии)»

V. Подведение итогов урока слайд 33

Сегодня на уроке мы с вами узнали, что:

– На самом деле электричество «рождается» на …

– Электростанции бывают …

– Альтернативные источники это …

VI. Рефлексия слайд 34