Исследовательский проект "Солнечные батареи"

Министерство образования и науки РБ

Республиканская научная конференция молодых исследователей

«Шаг в будущее»

Оглавление

Введение ____________________________________________________________________3

Основная часть

Глава I Основные понятия

1.1 Традиционные и альтернативные источники энергии ____________________________4

1.2 Масштабы использования альтернативной энергетики в Бурятии __________________5

1.3 Солнечная энергия и ее применение на Земле___________________________________5

Глава II Практическая часть

Экономические расчеты_____________________________________________________

Выводы __________________________________________________________________

Заключение _________________________________________________________________12

Список использованной литературы ____________________________________________14

Приложение _______________________________________________________________        

.

Введение

Актуальность исследования

Все понимают, что современное человечество нуждается в огромном количестве энергии, причем потребность в ней увеличивается с каждым годом. При этом, запасы природного топлива (нефти, угля, газа и др.) не возобновляемы.

Поэтому, в целях предотвращения угрозы истощения природных ресурсов огромное значение приобретает поиски новых источников сырья, топлива и энергии.

Использование солнечной, ветровой, геотермальной энергии наряду с внедрениями энергосберегающих технологий, позволяющих значительно снизить расход электроэнергии, воды и тепла, способно дать огромный эффект и обеспечить практически полную автономность проживания, в ряде случаев

Одним из наиболее перспективных направлений использования природной энергии является использование солнечной энергии. На сегодняшний день основным инструментом использования солнечной энергии являются солнечные батареи

К тому же мы живем в солнечном регионе, этого источника вполне может хватить, чтобы обеспечить потребление энергии в условиях дома.

Цельнаучного исследование подтвердить доступность и полезность использования солнечных батарей в частном доме

Задачи исследования:

• Изучить литературу по теме «Традиционные и альтернативные источники энергии».

• Обобщить полученную информацию, раскрыть преимущества и недостатки использования различных источников энергии, в том числе и солнечной.

• Провести экономические расчеты

• Сделать выводы

• Подготовить доклад и презинтацию

Методы исследования: поисковый (сбор информации по теме), анализ информационных ресурсов, наблюдение, измерение, сравнение, эксперимент, систематизация, ИКТ (создание презентации).

Гипотеза: если солнечные батареи во всех отношениях положительны, то почему не все их используют. А может быть это очередная реклама производителей, которые желают на этом заработать.

Объект исследования: солнечные батареи

Предмет исследования: практическое применение солнечных батарей

Новизна исследования: не смотря на дороговизну солнечных батарей, они окупаются с полна, они нужны населению, особенно в таких регионах, как наш, так как солнечных дней много даже зимой

Практическая значимость

Определить возможность использования солнечных батарей в частных домах. Подтвердить, что информация о солнечных батареях – это не реклама производителей этих батарей

Глава I Основные понятия

1.1 Традиционные и альтернативные источники энергии

Самая распространенная отрасль энергетики в России: тепловые электростанции, они в стране производят более 1000 МВт, используя в качестве перерабатываемого сырья уголь, газ, нефтепродукты, сланцевые залежи и торф. Вырабатываемая первичная энергия в дальнейшем преобразуется в электричество. Технологически у таких станций масса преимуществ, которые и обуславливают их популярность. К ним можно отнести нетребовательность к условиям эксплуатации и легкость технической организации рабочего процесса. Объекты тепловой энергетики в виде конденсационных сооружений и теплоэлектроцентралей могут возводиться прямо в районах добычи расходного ресурса или местах нахождения потребителя. Сезонные колебания никак не влияют на стабильность функционирования станций, что делает такие источники энергии надежными. Но есть и недостатки у ТЭС, к которым можно отнести применение исчерпаемых топливных ресурсов, загрязнение окружающей среды, необходимость подключения больших объемов трудовых ресурсов и др.

Гидротехнические сооружения в виде энергетических подстанций предназначены для выработки электричества в результате преобразования энергии потока воды. То есть, технологический процесс генерации обеспечивается сочетанием искусственных и природных явлений. В ходе работы станция создает достаточный напор воды, которая в дальнейшем направляется к турбинным лопастям и активизирует электрогенераторы. Гидрологические виды энергетики различаются по типу используемых агрегатов, конфигурации взаимодействия оборудования с естественными потоками воды

К достоинствам гидроэлектростанций относят экологическую чистоту, экономическую доступность (бесплатная энергия), неисчерпаемость рабочего ресурса. В то же время гидротехнические сооружения требуют больших начальных затрат на техническую организацию аккумулирующей инфраструктуры, а также имеют ограничения по географическому размещению станций – только там, где реки обеспечивают достаточный напор воды. Атомная энергетика В некотором смысле это подвид тепловой энергетики, но практически производственные показатели работы ядерных станций на порядок выше ТЭС. В России используют полные циклы выработки атомной электроэнергии, что позволяет генерировать большие объемы энергетического ресурса, но имеют место и огромные риски использования технологий обработки урановой руды. Обсуждением вопросов безопасности и популяризации задач данной отрасли, в частности, занимается АНО «Информационный центр атомной энергетики», имеющий представительства в 17 регионах России. Ключевую роль в исполнении процессов генерации ядерной энергии играет реактор. Это агрегат, предназначенный для поддержания реакций деления атомов, которые, в свою очередь, сопровождаются выделением тепловой энергии. Существуют разные типы реакторов, отличающиеся применяемым видом топлива и теплоносителем. Чаще используется конфигурация с легководным реактором, использующим в качестве теплоносителя обычную воду. Основным ресурсом переработки в ядерной атомной энергетике выступает урановая руда. По этой причине АЭС обычно проектируются с расчетом на размещение реакторов вблизи от месторождений урана. На сегодняшний день в России действует 37 реакторов, совокупная мощность выработки которых составляет около 190 млрд кВт*ч/год.

Ухудшение экологии и истощение природных ресурсов заставляет задумываться о том, как получать электричество и тепло из возобновляемых источников. Альтернативные источники энергии – это обычные неисчерпаемые ресурсы, которые вырабатываются естественным образом. Невозобновляемые источники – нефть, природный газ и уголь. Им ищут замену, потому что они могут закончиться. Ещё их использование связано с выбросом углекислого газа, парниковым эффектом и глобальным потеплением.

Альтернативная энергетика – это методы, которые отдают энергию более экологичным способом и приносят меньше вреда. Она нужна не только для промышленных целей, но и в простых домах для отопления, горячей воды, освещения, работы электроники.

Альтернативный источник энергии– это те ресурсы, для выработки которых не нужно прикладывать усилий, они уже вокруг нас. Это энергия солнца, отходы переработки живых организмов, вода, ветер, вторсырье.  В отличие от традиционных ресурсов они более эффективны, дешевле и экологически безопасны. Россия, благодаря своей огромной территории, находится в одном из лучших положений.

Для того чтобы жить в собственном доме комфортно, нам требуются два вида энергии: электрическая и тепловая. Получить обе разновидности из окружающей среды несложно. Из каких источников это можно получить, и какие приборы для этого используются:

• солнечные батареи и коллекторы;

• ветрогенераторы;

• установки, использующие биогаз;

• тепловые насосы.

Всеми этими устройствами и технологиями человечество пользуется давно. К примеру, вспомним ветряные или водяные мельницы. Сегодня наука, которая все время движется вперёд, предлагает большой ассортимент устройств, с помощью которых можно получить тепло и электричество.

1.2 Масштабы использования альтернативной энергетики в Бурятии

В декабре прошлого года ввели в строй пятую по счету солнечную электростанцию в Хоринском районе.

Инвестором и генеральным подрядчиком строительства СЭС выступила группа компаний «Хевел». Строительно-монтажные работы на площадке   проведены за шесть месяцев. С декабря 2019 года Хоринская СЭС начала отпуск электроэнергии в единую сеть. Это позволит повысить надежность электроснабжения района и снизить потери при передаче электроэнергии.

Хоринская солнечная электростанция – вторая построенная компанией «Хевел» СЭС в регионе. В 2017 году   введена в эксплуатацию Бичурская СЭС установленной мощностью 10 МВт.

В 2019 году в республике уже состоялся запуск трех солнечных электростанций в Кабанском, Тарбагатайском и Кяхтинском районах. Три СЭС общей мощностью 45 МВт и, что к 2022 году в Бурятии будет действовать семь солнечных электростанций. Их совокупная мощность составит 145 МВт. Следующая на очереди – СЭС в Джидинском районе.

В прошлом году правительство Бурятии опубликовало концепцию использования и внедрения альтернативных источников энергии в республике. Реализовывать ее будут в три этапа. Первый должен закончиться в этом году, он подготовительный: должен быть проведен анализ существующих возобновляемых источников энергии, определены приоритетные направления по их внедрению, оценка финансовых затрат, изменения в нормативной базе и тому подобное.

Второй этап – с 2021 по 2023 годы – уже непосредственно реализация мероприятий по внедрению альтернативных источников энергии. Далее   с 2024 года – третий этап.

Концепцияописывает проблему, которую можно решить с помощью солнечной энергии. «На территории Республики Бурятия в 11 населенных пунктах отсутствует централизованное электроснабжение, - говорится в документе. - Также имеется потребность в технологическом присоединении отдаленных крестьянско-фермерских хозяйств (далее - КФХ). Технологическое присоединение КФХ к сетям «Бурятэнерго» или других энергоснабжающих организаций не представляется возможным ввиду их значительной удаленности, сложности строительства и эксплуатации».

И тут на помощь приходит альтернативная энергетика. А именно: «автономная гибридная энергоустановка (АГЭУ), уникальное российское инженерное решение для электроснабжения изолированных и труднодоступных территорий, обеспечивающее значительное снижение использования топлива за счет выработки солнечной электроэнергии. АГЭУ состоит из солнечных модулей, дизельного генератора и аккумуляторов». Именно такие установки планируется строить в отдаленных селах и КФХ, что сейчас сидят без электричества.

Солнечные батареи

Скажем так, что эти приборы с годами становятся все более востребованными и популярными. Сегодня производители производят и реализуют их в двух вариациях:

Готовые батареи, которые просто устанавливают на крышах домов, соединяя между собой в единый комплекс.

Отдельные фотоэлементы. Такой вариант предлагается для мастеров, которые сами собирают их в панели, подгоняя под требуемый объем получаемой энергии.

Фотоэлементы, используемые в солнечных батареях, это также две разновидности: 1. Монокристаллические. Отметим, что это более эффективные, то есть с большим коэффициентом полезного действия, и долговечные элементы. Соответственно они и дороже. Но их высокая эффективность достигается лишь в том случае, если небо ясное, и элементы получают стабильный солнечный поток.2. Поликристаллические. У этого типа пониже КПД и эксплуатационный ресурс. Но они могут работать даже в облачную погоду. И это большой плюс.

Фотоэлементы обычно помещают под прозрачный материал и обрамляют металлическим профилем. Всю конструкцию устанавливают на специальной подставке, которую можно поворачивать. Это делается для того, чтобы можно было бы поворачивать солнечные батареи, улавливая прямые солнечные лучи. А их угол наклона зависит от времени года.

Но солнечные панели – это всего лишь часть комплекса. Для сбора электрической энергии требуется аккумуляторы, которые соединяются с панелями через инверторную систему. Первые аккумулируют электричество, вторая превращает солнечный свет в электроэнергию.

Сегодня производители предлагают отличающиеся от солнечных батарей устройства, которые работают по такому же принципу.

Гибкая плёнка, которую устанавливают на стекла окон с выходом на солнечную сторону. У этого вариант не самый высокий КПД, но за счёт уменьшения размеров материала и сложности монтажа способ достаточно популярен.

Betaray – это шар из стекла достаточно внушительного размера. Его задача – сфокусировать солнечные лучи и одним потоком направить на фотоэлемент. По сути, шар выполняет функции линзы. Такая установка вращается относительно своей оси. Вращение программируют, поэтому шар строго движется вслед солнцу. Отсюда и высокая эффективность отбора солнечных лучей. Эта установка неплохо работает даже в ночное время, собирая свет от луны и звёзд. Как показала практика, этой мощности хватает осветить ночные светильники.

Итак, это все о солнечных батареях, переходим к другому виду нетрадиционного источника энергии – солнечным коллекторам.

Солнечные коллекторы

Все знакомы с летним душем, в состав которого входит металлическая бочка. В неё заливают воду, и она под действием солнца нагревается. Коллекторы работают точно по такому же принципу. Только у них большая площадь поглощения солнечных лучей.

И эта площадь ничто иное, как трубы, расположенные в виде змеевика. Трубы нагреваются и передают своё тепло воде, которая по ним и движется. При этом движение всегда происходит снизу вверх – таков закон физики. То есть, нагреваясь, вода или воздух всегда стремятся вверх.

В верхней части комплекса устанавливается бак, через который проходит водопроводная вода. Внутри бака располагается ещё один змеевик, соединённый с коллектором, то есть большим змеевиком. Получается так, что вода, движущаяся по трубам большого змеевика и нагревающаяся там, попадает в змеевик, расположенный внутри бака. Она отдаёт свою тепловую энергию воде в баке, остывает и спускается в нижнюю часть коллектора. И все повторяется заново.

Именно так и нагревается вода в баке, которую затем используют в быту. Самое главное, что естественная циркуляция воды даёт возможность не использовать в системе насосы.

Отметим, что изготовленные в условиях промышленного производства солнечные коллекторы – более сложные устройства. Но принцип работы у них тот же. Просто вместо воды в большой змеевик заливают фреон, который эффективно работает даже зимой.

(Источник:https://m-strana.ru/articles/alternativnye-istochniki-energii/?utm_source=copy&utm_medium=direct&utm_campaign=copy_from_site)

Рассматривая излучения от Солнца, как источник энергии, необходимо отметить, что эта энергия бесконечна. Это представляет собой большой плюс, по некоторым данным Национальной американской исследовательской академии, «Звезда по имени Солнце» будет способна согревать Землю еще примерно еще 6,5 миллиардов лет, до тех пор, пока не взорвется.

Высокая экологичность. При эксплуатации не используются невосполнимые ископаемые, не возникает отходов.

Повсеместность. Запас солнечной энергетики, весьма огромен. Каждый день наша планета облучается около 120 тысячами тераваттами света самой большой звезды. А это, на секундочку, в 20 тысяч раз больше энергии, чем весь мир способен потреблять ежедневно.

Стабильность. Энергетику солнца нельзя перерасходовать, она стабильна во все времена. И сейчас и для будущих поколений Солнце будет светить.

Доступность. Энергию из солнечных лучей можно собирать и использовать каждый летний (и даже зимний) день, по всей поверхности Земли. Например, Германия, на сегодняшний день, является наиболее использующей солнечную энергию страной в мире, и имеет прекрасный запас именно солнечной энергетики.

Безопасность для окружающей среды. Экологическая чистота, принципиальный фактор в добывании энергии для человеческих нужд. Сравнивая затраты и воздействия на природу традиционных способов получения энергии, с получением энергии от Солнца, можно убедиться в небольшом воздействии на природу и атмосферу от производств, перевозки и установки солнечных батарей. Это бесспорно важнейшее мероприятие в  направлении борьбы с глобальным потеплением.

Отсутствие шумов. Из-за отсутствия движущихся узлов на самом ресурсе, выработка энергии происходит тихо.

Возникает вопрос, если + много, то почему солнечные батареи редко можно встретить в населенных пунктах

Возле школы, калькуляторы, и мелкие игрушки?

2. Практическая часть

В практическая часть своей работы я произвел приблизительный подсчет эффективности использования солнечных батарей

2.1. Расход электроэнергии в доме

Узнал мощность электроприборов, определил время работы и подсчитал суточное потребление энергии. Полученные результаты занес в таблице 1( Приложение № 2)

После подсчетов общего энергопотребления я посмотрела, где нашей семье можно сэкономить, меньше потреблять энергии. Конечно, холодильник никак не исключишь из энергопотребления. Но можно меньше использовать такие приборы, как телевизор, СВЧ – печь, своевременно выключать в комнатах свет.

В этом случае каждый сам решает, что он будет бережливым как в своей семье, так и на планете в целом, или он будет неэффективно расходовать природные богатства планеты. На помощь может прийти солнечная батарея, которая может покрыть эти расходы. Тогда от привычных уже нам всем электроприборов не придется отказываться.

2.2. Ориентировочный расчет эффективности применения солнечных батарей

Расчёт средней ежедневной выработки электроэнергии необходим для наиболее правильного подбора солнечной электростанции. Существует статистика поступления солнечной энергии на единицу поверхности Земли в различных регионах. Наблюдение за уровнем облачности и солнечной активности осуществляется с помощью метеорологических спутников.

Статистика получена в результате десятков лет наблюдений из космоса и является усреднённой. Поэтому, в отдельно взятый год наблюдения, среднегодовое и среднемесячное поступление энергии может несколько отличаться от представленных данных. Полученные результаты занес в таблице 2 ( Приложение № 3)

Для электроснабжения частного дома с ежемесячным средним потреблением 180 кВт возьмем 8 панелей мощностью 100 Вт/ч каждая (8 х 100 = 800вт/ч, 800 : 1000 = 0,8 кВт/ч, суммарная мощность) со сроком службы 20 лет.

Мы подсчитали количество солнечных дней в нашем городе, перевели эти данные в количество солнечных часов и подсчитали количество энергии, которое может при этом вырабатываться. Суммарная выработка электроэнергии с учетом количества солнечных часов, при которых работа системы эффективна приведена в таблице 2.

Из таблицы 2 видно, что потребности в электроэнергии будут полностью перекрываться системой начиная с апреля по октябрь, в период с ноября по март система может работать только в качестве дополнительного источника энергии (так как у нас потребление энергии в среднем составляет 177, 7кВт/ч

2.3. Фотоэлектрические системы , что представляют собой

Фотоэлектрическая система (далее ФЭС) представляет собой набор фотоэлектрических модулей и дополнительной аппаратуры. ФЭС предназначен прежде всего для системы электроснабжения. Система электроснабжения автономного потребителя на базе фотоэлектрической солнечной батареи состоит из следующих компонентов рис. 2.1. 1. Солнечная панель (или солнечная батарея) необходимой мощности (набор фотомодулей) – преобразуют энергию солнца в электрическую; 2. Контроллер заряда аккумуляторной батареи, регулирующий заряд аккумуляторов и предотвращающий губительный для батареи глубокий разряд и перезаряд, продлевая срок ее службы; 3. Батарея аккумуляторов (далее АБ) – она накапливает и сохраняет, вырабатываемую модулями в течение дня электроэнергию для дальнейшей её отдачи в нужный момент; 4. Инвертор – преобразует постоянный ток в переменный с напряжением 220 В и чистым “синусоидальным” сигналом на выходе. Инвертор должен иметь все виды защиты (от короткого замыкания, перегрузки, перегрева и др.); 5. Энергоэффективная нагрузка – потребители постоянного и переменного тока.

Произвел расчеты для покупки необходимого оборудования. Полученные результаты занес в таблице 3 ( Приложение № 4)

В среднем на 1 месяц нашей семье требуется 177 кВт/ч электроэнергии.

В год этот расход электроэнергии составит примерно 177*12=2124 кВт/ч

Стоимость 1 кВт/ч по квитанции = 2 руб 94 коп

Годовые затраты на электроэнергию 2,94*2124=6245 руб.

Затраты на электроэнергию за 20 лет (срок службы оборудования) 6245 * 30= 187350 руб.

Использование системы позволит полностью исключить затраты на электроэнергию в период с апреля по октябрь и ориентировочно в 1,5 раза уменьшить затраты в зимний период.

Таким образом эффективность в использовании солнечных батарей очень существенна Поэтому, каждый для себя решает, что ему важнее. Или сейчас платить за исчерпаемые ресурсы и наносить вред окружающей сред. Или использовать альтернативные источники энергии и продолжать существовать в благоприятных условиях жизни еще много лет.

- В школе

- Гурт

2.4. Мною был проведен социологический опрос среди одноклассников, результаты в таблице 4, приложении №5

Участники: 10Б, 10А; количество - 29

Выводы по работе

Таким образом, использование солнечных батарей эффективно в нашей местности, где уровень солнечной активности очень высок, а дни в большем количестве ясные.

В более темное время суток можно использовать энергию, которую можно накопить с помощью установленного генератора рядом с солнечной батареей.

Основное их преимущество – возможность использования в самых разных случаях: для частного дома, квартиры, мобильный построек, например гурты.

По результатам опроса учащихся 10 классов мы выяснили, что 79,3% людей стараются экономить энергию. Большинство опрошенных не знают о вреде, наносимом окружающей среде при производстве электроэнергии. В качестве альтернативного источника энергии больше называли солнечную ЭС. Кроме того, называли и ветряные, атомные, гидро и приливные ЭС. На вопрос о знаниях про солнечную батарею, отвечали, что они работают и заряжаются от солнца. Так же большинство решили, что установка солнечных батарей в частных домах не целесообразна.

Следовательно, солнечная энергия доступна населению. Но сначала нужно вложить, конечно, большие суммы денег, но зато потом это все окупится, будут сохранены нужные нам не только для топлива исчерпаемые источники энергии.

Заключение.

В данной работе я рассказал о понятии «Традиционные и альтернативные источники энергии». Предоставил информацию о проблемах истощении природных ресурсов. И я считаю, человек должен использовать альтернативные источники энергии, т. к. природные ресурсы имеют способность к истощению, используя силы природы, такие как: ветер, вода, солнечный свет. В России все большее применение находят солнечные батареи.

Выгода. Применение отдельного источника электроэнергии в частном доме, весьма экономично. Принципиально, что обслуживание панелей сводится к минимальным затратам, в году несколько раз следует очищать панели от загрязнений. Гарантия от производителя растягивается на 20 — 25 лет.

Негатива от солнечных батарей мало, однако иногда они могут показаться принципиальными. К примеру:

Прямая зависимость количества вырабатываемой энергии от погодных условий, времени суток и времени года. Солнечные батареи просто не работают в пасмурную погоду. В регионах, где часто выпадают осадки, очень проблематично применять солнечные панели.

Сезонность работы, которую определяет географическое расположение.

Высокая стоимость оборудования. Стоимость батарей тоже весьма не демократична (возможно пока), восстановление затрат растягивается надолго.

Для установки солнечных батарей требуются большие участки.

Солнечные установки способны скапливать только постоянный ток, для переменного же, потребуются еще установки.

Необходимость периодической очистки отражающей/поглощающей поверхности от загрязнения.

Генерировать энергию возможно только в дневные часы, и соответственно для темного времени суток необходимо приобретать аккумуляторы.

Список использованной литературы:

1. Природные ресурсы, определение [электронный ресурс]

2. Альтернативная энергетика, определение [электронный ресурс].

3.  Новости альтернативной энергетики [электронный ресурс].

4. «Природные ресурсы мира»; М. : , МГУ, 1993.

5. Ветроэнергетика [электронный ресурс].

6. «Ветроэнергетика, справочное пособие» М.:ИД «Энергия», 2010.

7. Джесси Рассел «Биотопливо» ISBN 978-5-5128-7520-9; 2012 г.

8. Биотопливо. Виды, способы получения [электронный ресурс].

9. Манкинс, Джон С. (2008). «Солнечная энергия космического базирования».

10. Интернет-ресурсы: Режим доступа:

http://ru. wikipedia. org/wiki

https://ru. wikipedia.

http://novostienergetiki. ru/orskaya-ses-proshla-pervyj-etap-stroitelstva/ 

dic. academic. ru›dic. nsf/bse / 74087 / Ветроэнергетика

http://investments. academic.

http://autorelease. ru/articles/109-automobile/345-biotoplivo-problemy-i-perspektivy. html

https://pandia.ru/text/83/651/58837.php

https://gazeta-n1.ru/news/society/86656/

Приложение 1

Рис. 1 Автономная фотоэлектрическая система: 1. солнечные панели, 2. контроллер 3. аккумуляторная батарея (АБ), 4. нагрузка.

Приложение 2

Таблица 1. Суточное потребление электроэнергии

Приложение 3

Таблица 2. Количество солнечных дней в нашем районе и выработка энергии.

Фото 1 Среднесуточное количество часов в Хоринске (Интернет-ресурс)

Приложение 4

Таблица 3 Затраты на установку указанной системы составят:

Приложение 5

Таблица 4 Анкета, социологический опрос десятиклассников

Приложение 6

Фото 2,3