Экономическая целесообразность использования солнечной батареи

VI муниципальная учебно-исследовательская конференция школьников

Угличского муниципального района

Ярославской области

Исследовательская работа по дисциплине: «Физика»

тема:

Экономическая целесообразность использования солнечной батареи

Автор – Смирнов Даниил

обучающийся 10 класса

МОУ Угличский ФМЛ

Научный руководитель –

Седов Сергей Александрович,

учитель физики

МОУ Угличский ФМЛ

г. Углич

2021

Содержание

Введение……………….……………………………..…………………………..3

1. Теоретические основы получения солнечной энергии…………………4

   1. Солнечные батареи………………………………………….……….….4

   2. Принцип работы солнечной панели……………………………….….4

   3. Эффективность батареи гелиосистемы………………………………6

2. Практическая часть………………………………………………………….7

1. Исследование факторов, влияющих на эффективность солнечной батареи……………………………………………………………………..7

2. Экономические расчёты………………………………………..….…..10

Заключение…………………………………………………………….………..11

Список литературы…………………...……………………………….……….12

Введение

Современный мир человека – это мир электроприборов и различных гаджетов. Без энергии жизнь человечества немыслима. Все мы привыкли использовать в качестве источников энергии органическое топливо – уголь, газ, нефть. Однако их запасы в природе, как известно, ограничены. И рано или поздно наступит день, когда они иссякнут. На вопрос «что делать в преддверии энергетического кризиса?» уже давно найден ответ: надо искать другие источники энергии – альтернативные, нетрадиционные, возобновляемые.

В поисках новых источников энергии люди все чаще обращаются к солнечным батареям. Солнце является основным источником всех видов энергии, которыми человек имеет в своем распоряжении. Этот резервуар неисчерпаем. Достаточно сказать, что в течение 1,1*10⁹ лет Солнце израсходует всего лишь около 2% аккумулированной в нём энергии. Общее количество лучистой энергии, достигающее поверхности Земли в области суши, составляет за год 9,5*10¹⁷ кВт/ч. Это огромное количество энергии, непрерывно приходящее на поверхность Земли от Солнца в течение года, в 32 000 раз больше той энергии, которая поступает за это время в мировую энергетическую систему от разных источников энергии, таких, как минеральное топливо, гидроэнергия и пр.

С каждым годом население мира все активнее использует энергию Солнца. В нашей стране, например, солнечные электростанции расположены на полуострове Крым. Но нас больше заинтересовал вопрос, способны ли солнечные панели стать полноценным источником энергии в отдельно взятой семье и будет ли это экономически выгодно?

Цель работы: изучить экономическую целесообразность использования солнечной батареи в отдельно взятой семье.

Объект исследования: альтернативные источники энергии

Предмет исследования: получение энергии с помощью световых панелей

Задачи:

1. Проанализировать теоретические основы получения световой энергии.

2. Исследовать процесс получения энергии от солнечных панелей.

3. Проанализировать потребление электроэнергии в семье

4. Смоделировать солнечную батарею, способную выдавать заданную мощность

5. Экономически рассчитать стоимость данной установки, её окупаемость и целесообразность приобретения

Гипотеза: получение энергии с помощью солнечных панелей в отдельно взятой семье является эффективной заменой традиционным способам получения энергии с точки зрения энергосбережения

Методы исследования: изучение и анализ различных источников по проблеме исследования; эксперименты с комплектом по возобновляемым источникам энергии, экономический анализ.

Практическая значимость: исследование и проведение опытов с целью получения энергии от солнечных панелей, обоснование возможности использования солнечных панелей в отдельно взятом доме или квартире.

1. Теоретические основы получения солнечной энергии

   1. Солнечные батареи

Следует разобраться в существующих типах оборудования для солнечной энергетики. Солнечные батареи и солнечные коллекторы - это два принципиально разных устройства. Оба они преобразуют энергию солнечных лучей. Однако в первом случае потребитель получает электрическую энергию на выходе, а во втором - тепло в виде нагретого теплоносителя, то есть солнечные батареи используются для отопления дома.

Также интересен сам термин «солнечная батарея». Обычно под словом «батарея» понимается некое аккумулирующие электроэнергию устройство. Либо на ум приходит банальный отопительный радиатор. Однако в случае с гелиобатареями ситуация кардинально иная. Они ничего в себе не накапливают. Солнечные батареи предназначены исключительно для генерации электрического тока. Он, в свою очередь, накапливается для снабжения дома электричеством ночью, когда солнце опускается за горизонт, уже в присутствующих дополнительно в схеме энергообеспечения объекта аккумуляторах. Батарея здесь подразумевается в контексте некой совокупности однотипных компонентов, собранных в нечто единое целое. Фактически это просто панель из нескольких одинаковых фотоэлементов.

1. Принцип работы солнечной панели

Работа солнечных панелей основана на сочетании свойств полупроводников, в частности p-n-перехода, и фотоэффекта. Давайте разберёмся по порядку, что это такое.

Полупроводник — вещество, находящееся по электропроводности между проводником и изолятором (веществом, не проводящим электрический ток). Всего есть два вида проводимости полупроводников: электронная (n-тип) и «дырочная» (p-тип).

Полупроводник обладает электронной проводимостью, если в атомах его примеси внешние электроны относительно слабо связаны с ядрами этих атомов. Если в подобного рода полупроводнике создать электрическое поле, то под влиянием сил этого поля внешние электроны атомов примеси полупроводника покинут пределы своих атомов и превратятся в свободные электроны. Свободные электроны создадут в полупроводнике электрический ток проводимости под влиянием сил электрического поля. Следовательно, природа электрического тока в полупроводниках с электронной проводимостью та же, что и в металлических проводниках. Но так как свободных электронов в единице объема полупроводника во много раз меньше, чем в единице объема металлического проводника, то естественно, что при всех прочих одинаковых условиях ток в полупроводнике будет во много раз меньше, чем в металлическом проводнике.

Полупроводник обладает «дырочной» проводимостью, если атомы его примеси не только не отдают своих внешних электронов, но, наоборот, стремятся захватить электроны атомов основного вещества полупроводника. Если атом примеси отберет электрон у атома основного вещества, то в последнем образуется нечто вроде свободного места для электрона — «дырка». Атом полупроводника, потерявший электрон, называют «электронной дыркой», или просто «дыркой». Если «дырка» заполняется электроном, перешедшим с соседнего атома, то она ликвидируется и атом становится нейтральным в электрическом отношении, а «дырка» смещается на соседний атом, потерявший электрон. Следовательно, если на полупроводник, обладающий «дырочной» проводимостью, воздействовать электрическим полем, то «электронные дырки» будут смещаться в направлении этого поля. Смещение «электронных дырок» в направлении действия электрического поля аналогично перемещению положительных электрических зарядов в поле и, следовательно, представляет собой явление электрического тока в полупроводнике.

В результате теплового хаотического движения одна из дырок из области p-типа может попасть в область n-типа, где быстро заполнится одним из электронов. В результате этого в области n-типа появится избыточный положительный заряд, а в области p-типа — избыточный отрицательный заряд. Аналогично, в результате теплового движения один из электронов из p-области может попасть в n-область, где быстро заполнит одну из дырок. В результате этого в n-области также появится избыточный положительный заряд, а в p-области - избыточный отрицательный заряд. Это явление и называется p-n-переходом

Фотоэффект, или фотоэлектрический эффект, — явление взаимодействия света или любого другого электромагнитного излучения с веществом, при котором энергия фотонов передаётся электронам вещества. Проще говоря, частицы света врезаются в электроны вещества, выбивая их со своего места.

В фотоэлементе солнечной панели используется два слоя полупроводника, p-слой и n-слой. При падении солнечных лучей на фотоэлемент, в результате фотоэффекта из атомов выбиваются электроны, что приводит к образованию электронно-дырочных пар. Избыточные электроны и «дырки» частично переносятся через p-n-переход из одного слоя полупроводника в другой. В итоге во внешней цепи появляется напряжение. При этом на контакте p-слоя формируется положительный полюс источника тока, а на n-слоя — отрицательный. Подключенные к внешней нагрузке в виде аккумулятора фотоэлементы образуют с ним замкнутый круг. В результате солнечная панель работает, как своеобразное колесо, по которому вместо белки "бегают" электроны. А аккумуляторная батарея при этом постепенно набирает заряд.

1. Эффективность батареи гелиосистемы
   Один фотоэлемент даже в полдень при ясной погоде выдает совсем немного электроэнергии, достаточной разве что для работы светодиодного фонарика. Чтобы повысить выходную мощность, несколько ФЭП объединяют по параллельной схеме для увеличения постоянного напряжения и по
   последовательной для повышения силы тока.

Эффективность солнечных панелей зависит от:

• Температуры воздуха и самой батареи;

• правильности подбора сопротивления нагрузки;

• угла падения солнечных лучей;

• наличия/отсутствия антибликового покрытия;

• мощности светового потока.

Чем ниже температура на улице, тем эффективней работают фотоэлементы и гелиобатарея в целом. Здесь все просто. А вот с расчетом нагрузки ситуация сложнее. Ее следует подбирать исходя из выдаваемого панелью тока. Но его величина меняется в зависимости от погодных факторов. Постоянно отслеживать параметры солнечной батареи и вручную корректировать ее работу проблематично. Для этого лучше воспользоваться контроллером управления, который в автоматическом режиме сам подстраивает настройки гелиопанели, чтобы добиться от нее максимальной производительности и оптимальных режимов работы. Идеальный угол падения лучей солнца на гелиобатарею - прямой. Однако при отклонении в пределах 30-ти градусов от перпендикуляра эффективность панели падает всего в районе 5%. Но при дальнейшем увеличении этого угла все большая доля солнечного излучения будет отражаться, уменьшая тем самым КПД ФЭП.

Если от батареи требуется, чтобы она максимум энергии выдавала летом, то ее следует сориентировать перпендикулярно к среднему положению Солнца, которое оно занимает в дни равноденствия по весне и осени. Для нашего региона – это приблизительно 40-45 градусов к горизонту. Если максимум нужен зимой, то панель надо ставить в более вертикальном положении.

И еще один момент - пыль и грязь сильно снижают производительность фотоэлементов. Фотоны сквозь такую "грязную" преграду просто не доходят до них, а значит и преобразовывать в электроэнергию нечего. Панели необходимо регулярно мыть либо ставить так, чтобы пыль смывалась дождем самостоятельно. Некоторые солнечные батареи имеют встроенные линзы для концентрирования излучения на ФЭП. При ясной погоде это приводит к повышению КПД. Однако при сильной облачности эти линзы приносят только вред. Если обычная панель в такой ситуации будет продолжать генерировать ток пусть и в меньших объемах, то линзовая модель работать прекратит практически полностью.

Солнце батарею из фотоэлементов в идеале должно освещать равномерно. Если один из ее участков оказывается затемненным, то неосвещенные ФЭП превращаются в паразитную нагрузку. Они не только в подобной ситуации не генерируют энергию, но еще и забирают ее у работающих элементов. Панели устанавливать надо так, чтобы на пути солнечных лучей не оказалось деревьев, зданий и иных преград.

2. Практическая часть

2.1 Исследование факторов, влияющих на эффективность солнечной батареи

Одним из ключевых вопросов при переходе на энергоснабжение от солнечных панелей, конечно же, будет суммарная площадь ФЭП, поскольку доступное пространство в условиях многоквартирного дома серьёзно ограничено. Для исследования зависимости, выдаваемого батареей напряжения от её площади, я воспользовался нехитрым набором приборов из солнечной панели, вольтметра и пары листов бумаги. Подключив батарею к вольтметру, я закрывал листами бумаги часть батареи от солнечного света и записывал показания вольтметра. Результаты получились следующие:

1/8 пластины даёт разницу в напряжении примерно в 1,15 раза.

Как уже было сказано ранее, вырабатываемую энергию необходимо запасать. Очевидно, что количество запасаемой энергии будет напрямую зависеть от погодных условий. Чтобы подробнее исследовать эту зависимость, я неоднократно в течение последнего месяца делал замеры в разное время суток и при разной облачности. В этой серии замеров я использовал солнечную батарею, конденсатор, вольтметр и секундомер. Подключив солнечную батарею к конденсатору, при помощи секундомера я засекал временные промежутки от 1 до 5 минут, после каждого из которых подключал конденсатор к вольтметру и записывал полученное напряжение. В приведённых ниже таблицах мной указаны усреднённые значения вырабатываемой мощности.

Облачный день, до 12:00

Мощность ФЭП примерно равна 0,6 мВт

Облачный день, после 12:00

Мощность ФЭП примерно равна 3,84 мВт

Ясный день до 12:00

Мощность ФЭП примерно равна 1,82 мВт

Ясный день, после 12:00

Мощность ФЭП примерно равна 96,88 мВт

В ясные дни мощность установки была значительно выше, чем в солнечные. Также следует отметить, что больше энергии вырабатывалось во второй половине дня. Из этого можно сделать вывод, что располагать солнечные панели следует так, чтобы солнце освещало их после полудня.

Поскольку для энергоснабжения даже отдельной квартиры одно солнечной панели будет явно недостаточно, то встаёт вопрос о выборе вида соединения солнечных панелей в сети. Их может быть всего два: последовательный и параллельный. В первом случае панели соединяются друг с другом и только потом с аккумулятором, при выборе такого вида соединения, будет суммироваться сила тока, вырабатываемого панелями. Во втором случае каждая панель подключается к аккумулятору, и тогда будут суммироваться их мощности. Поскольку нам нужно запасти как можно больше энергии, выбирать, конечно, следует параллельное соединение для повышения мощности.

2.2 Экономические расчёты

По результатам предыдущих измерений, нам удалось выяснить что для того, чтобы удовлетворить энергетические потребности моей семьи даже в условиях самого короткого светового дня в нашем регионе (7 часов). Суммарная мощность ФЭП должна быть не менее 700 Вт. Также необходимо приобрести аккумулятор, трансформатор и контроллер. Для облегчения восприятия, необходимые приобретения я выписал в таблицу

Гарантированный срок службы солнечных батарей — 10 лет. Срок службы аккумулятора равен 20 годам. Чтобы выяснить, окупится ли установка, подсчитаем, какую сумму придётся отдать за 10 лет центрального энергоснабжения.

Согласно данным ПАО «ТНС энерго Ярославль» средний расход кВт*ч на 1 человека в месяц в многоквартирных и индивидуальных жилых домах, при отсутствии электроплиты и электроводонагревателей выглядит следующим образом:

Средняя семья состоит из трёх человек, проживающих в двухкомнатной квартире, получается, средние энергозатраты равны 150 кВт*ч в месяц. При тарифе 3 рубля 99 копеек за 1 кВт*ч расходы на электроэнергию равняются 598 рублей 50 копеек в месяц

В моей семье 4 человека и живём мы в двухкомнатной квартире. Наше энергопотребление немного отличается от среднего и составляет 145 кВт*ч (4848 Вт/день) в месяц. При тарифе 3 рубля 99 копеек за 1 кВт*ч расходы на электроэнергию равняются 578 рублей 55 копеек в месяц.

Таким образом, за 10 лет центрального энергоснабжения, при условии, что тарифы не изменятся, придётся потратить 69426 рублей. Это значительно меньше, чем затраты на приобретение установки.

По прошествии 10 лет придётся заменить солнечные панели, чтобы не остаться без энергии в силу уменьшения КПД фотоэлементов. Тогда суммарные затраты на энергогенерирующую установку станут равны 119746, а затраты на оплату центрального энергоснабжения суммарно за 20 лет станут равны 138852, что уже превышает затраты на оборудование.

Заключение

В ходе нашего исследования нам удалось раскрыть понятие солнечных панелей, принципы их работы, а также определить, что вырабатываемая ими энергия зависит от площади поверхности, типа соединения панелей, продолжительности рабочего дня, погодных условий и иных факторов.

Учитывая все перечисленные выше факторы и средний ежемесячный расход энергии моей семья, я спрогнозировал покупку энергетической установки, состоящей из аккумулятора, солнечных панелей и трансформатора. Выбранный набор оборудования способен удовлетворять потребности в электроэнергии, и как следствие, позволит отказаться от централизованного электроснабжения и сэкономить на квартплате.

Из этих расчётов можно сделать вывод, что энергогенерирующая установка на основе солнечных батарей окупится через 20 лет после замены ею центрального энергоснабжения. Стоит отметить, что этот расчёт не учитывает изменения тарифов оплаты центрального энергоснабжения, а так же различные повреждения энергогенерирующей установки, требующие дополнительных затрат. В целом же, 20 лет это не слишком большой срок окупаемости, что позволяет считать замену центрального энергоснабжения на индивидуальное от солнечных панелей целесообразной.

Список литературы:

1. Агеев В.А. «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии». М.: Наука 2009

2. Байерс Т. 20 конструкций с солнечными элементами. - М.,1988.

3. Безруких П.П. «Ветроэнергетика мира». Справочное и методическое пособие. М.: ИД «ЭНЕРГИЯ» 2010

4. Вавилов С.И. Глаз и солнце, Торгово-издательский дом «Амфора», 2015

5. Герасименко Н., Пархоменко Ю. Кремний-материал наноэлектроники, Москва: Техно-сфера, 2007

6. Германович В., Турилин А. Альтернативные источники энергии и энергосбережение.-Санкт-Петербург: Наука и Техника, 2014

7. Гибилиско Стэн (перевод с английского) Альтернативная энергетика без тайн.-Москва: Эксмо-Пресс, 2010

8. Глиберман А.Я., Андерсон Б.А. Солнечная энергия (основы строительного проектирования) под редакцией Малевского Ю.Н., Москва 2001

9. Лосюк Ю.А., Кузьмич В.В. «Нетрадиционные источники энергии» Учебное пособие. М.: УП «Технопринт». 2005

10. Перспективы энергетических технологий 2006: Сценарии и стратегии до 2050 г. URL: http://www.iea.org.

11. Сибикин Ю. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии: учебное пособие/ Ю.Д. Сибикин, М.Ю. Сибикин. –М.: КНОРУС, 2010

12. http://energysafe.ru/alternative_energy/alternative_energy/1326/

13. https://www.alterenergy.info/interesting-facts/110-the-solar-energy/432-factors-affecting