Научный проект "Современные технологии ключ к индустриально - инновационному развитию сельской местности Республики Казахстан"

ГУ «Мичуринская средняя школа»

акимата Костанайского района

Секция: физика

Выполнил: Смагул Таир, ученик 11 класса

Научный руководитель: Кудрявцева Лилия Вячеславовна,

учитель физики ГУ «Мичуринская средняя школа»

2019 год

Абстракт

Актуальность исследования:

Мы выбрали эту тему, потому что нам хотелось больше узнать о солнечной энергетике, о способах преобразования солнечной энергии и экономическую выгоду. Мы думаем, что преобразование лучистой энергии в электрический ток – единственный, экологически чистый способ получения электрическойэнергии. Наша главная задача - спрогнозировать выгодно ли применение СЭС в сельской местности.

Цель работы:

1. Изучить строение солнечной батареи

2. Расширить собственные знания по данной теме

3. Выяснить окупаемость СЭС и положительные стороны использования СЭС

Гипотеза:
выгодно ли строительство и применение СЭС в сельской местности. 

Объект исследования: жители нашего поселка.

Задача: изучить строение солнечной батареи, использование, стоимость и окупаемость; познакомиться с новыми разработками в этой области;

оценить какую пользу получит человек, выбрав экологически чистый способ получения электрической энергии.Подобрать рекомендации по строительству СЭС в сельской местности.

 

Содержание

Абстракт……………………………………………………………………..3

Введение……………………………………………………………………..4-5

1.Исследовательская часть………………………………………………….6-10

1.1. Типы солнечных электростанций……………………………………...6-7

1.2. Строение солнечной батареи…………………………………………...8

1.3. Основные преимущества солнечных электростанций………………..8-10

2. Практическая часть………………………………………………………..11-25

2.1.Социологическое исследование (Анкета и диаграмма)……………….11-13

2.2. Сравнение окупаемости СЭС и бензинового генератора…………….14-16

2.3 Расчет солнечной электростанции для дома…………………………...17-25

Заключение……………………………………………………………………26

Приложение…………………………………………………………………..27-36

Литература……………………………………………………………………..37

Глава 1.

1.1 Типы солнечных электростанций

Все солнечные электростанции (СЭС) подразделяют на несколько типов:

• СЭС башенного типа

• СЭС тарельчатого типа

• СЭС, использующие фотобатареи

• СЭС, использующие параболические концентраторы

• Комбинированные СЭС

• Аэростатные солнечные электростанции

• Солнечно-вакуумные электростанции

СЭС башенного типа

Данные электростанции основаны на принципе получения водяного пара с использованием солнечной радиации. В центре станции стоит башня высотой от 18 до 24 метров (в зависимости от мощности и некоторых других параметров высота может быть больше либо меньше), на вершине которой находится резервуар с водой. Этот резервуар покрашен в чёрный цвет для поглощения теплового излучения. Также в этой башне находится насосная группа, доставляющая пар на турбогенератор, который находится вне башни. По кругу от башни на некотором расстоянии располагаются гелиостаты. Гелиостат — зеркало площадью в несколько квадратных метров, закреплённое на опоре и подключённое к общей системе позиционирования. То есть, в зависимости от положения солнца, зеркало будет менять свою ориентацию в пространстве. Основная и самая трудная задача - это позиционирование всех зеркал станции так, чтобы в любой момент времени все отраженные лучи от них попали на резервуар. В ясную солнечную погоду температура в резервуаре может достигать 700 градусов. Такие температурные параметры используются на большинстве традиционных тепловых электростанций, поэтому для получения энергии используются стандартные турбины. Фактически на станциях такого типа можно получить сравнительно большой КПД (около 20 %) и высокие мощности.

СЭС тарельчатого типа

Данный тип СЭС использует принцип получения электроэнергии, схожий с таковым у Башенных СЭС, но есть отличия в конструкции самой станции. Станция состоит из отдельных модулей. Модуль состоит из опоры, на которую крепится ферменная конструкция приемника и отражателя. Приемник находится на некотором удалении от отражателя, и в нем концентрируются отраженные лучи солнца. Отражатель состоит из зеркал в форме тарелок (отсюда название), радиально расположенных на ферме. Диаметры этих зеркал достигают 2 метров, а количество зеркал - нескольких десятков (в зависимости от мощности модуля). Такие станции могут состоять как из одного модуля (автономные), так и из нескольких десятков (работа параллельно с сетью).

СЭС, использующие фотобатареи

Основная статья: Фотовольтаическая станция

СЭС этого типа в настоящее время очень распространены, так как в общем случае СЭС состоит из большого числа отдельных модулей (фотобатарей) различной мощности и выходных параметров. Данные СЭС широко применяются для энергообеспечения как малых, так и крупных объектов (частные коттеджи, пансионаты, санатории, промышленные здания и т. д.). Устанавливаться фотобатареи могут практически везде, начиная от кровли и фасада здания и заканчивая специально выделенными территориями. Установленные мощности тоже колеблются в широком диапазоне, начиная от снабжения отдельных насосов, заканчивая электроснабжением небольшого посёлка.

СЭС, использующие параболоцилиндрические концентраторы

Принцип работы данных СЭС заключается в нагревании теплоносителя до параметров, пригодных к использованию в турбогенераторе.

Конструкция СЭС: на ферменной конструкции устанавливается параболоцилиндрическое зеркало большой длины, а в фокусе параболы устанавливается трубка, по которой течет теплоноситель (чаще всего масло). Пройдя весь путь, теплоноситель разогревается и в теплообменных аппаратах отдаёт теплоту воде, которая превращается в пар и поступает на турбогенератор.

СЭС, использующие двигатель Стирлинга

Представляют собой СЭС с параболическими концентраторами, у которых в фокусе установлен двигатель Стирлинга. Существуют конструкции двигателей Стирлинга, которые непосредственно преобразуют колебания поршня в электрическую энергию, без использования кривошипно-шатунного механизма. Это позволяет достичь высокой эффективности преобразования энергии. Эффективность таких электростанций достигает 31,25%^[1]. В качестве рабочего тела используется водород или гелий.

Комбинированные СЭС

Часто на СЭС различных типов дополнительно устанавливают теплообменные аппараты для получения горячей воды, которая используется как для технических нужд, так и для горячего водоснабжения и отопления. В этом и состоит суть комбинированных СЭС. Также на одной территории возможна параллельная установка концентраторов и фотобатарей, что тоже считается комбинированной СЭС.

Солнечно-вакуумные электростанции

Используют энергию воздушного потока, искусственно создаваемого путем использования разности температур воздуха в приземном слое воздуха, нагреваемого солнечными лучами в закрытом прозрачными стеклами участке, и на некоторой высоте. Состоят из накрытого стеклянной крышей участка земли и высокой башни, у основания которой расположена воздушная турбина с электрогенератором. Вырабатываемая мощность растет с ростом разности температур, которая увеличивается с высотой башни. Путём испоользования энергии нагретой почвы способны работать почти круглосуточно, что является их серъёзным преимуществом.

1.2 Строение солнечной батареи

Из интернета мы легко нашли материал о строении солнечной батареи, их стоимости.

[ Тонкая пластина состоит из двух слоев кремния с различными физическими свойствами. Внутренний слой представляет собой чистый монокристаллический кремний, обладающий "дырочной проводимостью" (p-тип). Снаружи он покрыт очень тонким слоем «загрязненного» кремния, например с примесью фосфора (n-тип).]

1. Фотопластинки

а) Пластины проводника

б) Антибликовое покрытие

в) Кремний п- и р- типа

г) Металлическая подложка

д) Стеклянное покрытие

е) Фотоэлемент

ж) Каркас

2. Рама

1.3 Основные преимущества солнечных электростанций:

1 . Свободное применение в местах отсутствия централизованных электрораспределительных сетей.
2. Быстрая окупаемость солнечной батареи. На протяжении всего срока эксплуатации генерируется значительно больше энергии, чем было затрачено для производства электростанции.

3. Фотоэлектрические элементы солнечной электростанции можно разместить на любой пустующей площади, в том числе и на крышах и стенах зданий, что, безусловно, существенно снижает ее себестоимость.
4. Нет необходимости использовать какого-либо вид топлива.
5. В составе электростанции присутствует только  небольшая часть движущихся  частей, поэтому эффект износа практически отсутствует.  Вследствие этого солнечная электростанция способна без сколько-нибудь значимого ремонта движущихся частей проработать  несколько десятилетий, кроме конечно периодической очистки поверхности солнечных панелей.
6. Солнечная электростанция не требует трудоемкого технического обслуживания для поддержания ее в рабочем состоянии.
7. Возможность подключения к «зеленому» тарифу (специальный тариф, по которому закупается электрическая энергия, произведенная на объектах электроэнергетики,  использующих  альтернативные источники энергии).

Подводя итог вышесказанного можно использование солнечной энергии выгодно

+ Экологически чистая

+ Бесшумная

+ Не требует затрат на обслуживание

+ Возобновляемая (бесконечная)

-Большие первичные вложения

-Работает только при свете солнце( Нужны конденсаторы для накопления энергии.

Подводя итог продельной работе, напрашивается вывод, что СЭС можно и нужно строить. В Казахстане очень много видов топлива, но нам надо учитывать, что все они постепенно заканчиваются, надо заберечь это и для наших потомков! А солнечная электроэнергетика довольно не плохой вариант замены. В мири СЭЭ занимает своё место и развивающиеся страны её используют в промышленном масштабе.

Крупнейшие солнечные электростанции мира

Крупнейшие фотоэлектрические установки в мире
Пиковая мощность	Местонахождение	Описание	МВт*час / год
290 МВт	Агуа-Калиенте, Аризона, США	5 200 000 солнечных модулей
213 МВт	Чаранка, Гуджарат, Индия
200 МВт	Голмуд, Китай		317 200
105.56 МВт	Перово, Крым, Украина	440 000 солнечных модулей	132 500 [4]
97 МВт	Сарния, Канада	более 1 000 000 солнечных модулей	120 000
84.7 МВт	Эберсвальде, Германия	317 880 солнечных модулей	82 000
84.2 МВт	Монтальто-ди-Кастро, Италия
80.7 МВт	Финстервальде, Германия
80 МВт	Охотниково, Крым, Украина	360 000 солнечных модулей	100 000 [5]
73 МВт	Лопбури, Таиланд	540 000 солнечных модулей	105 512
46.4 МВт	Амарележа, Португалия	более 262 000 солнечных модулей
43 МВт	Долиновка, Украина	182 380 солнечных модулей	54 399
43 МВт	Староказачье, Украина	185 952 солнечных модулей
34 МВт	Арнедо, Испания	172 000 солнечных модулей	49 936
33 МВт	Кюрбан, Франция	145 000 солнечных модулей	43 500
31.55 МВт	Митяево, Крым, Украина	134 760 солнечных модулей	40 000 [6]
11 МВт	Серпа, Португалия	52 000 солнечных модулей
7,5 МВт	Родниково, Крым, Украина	32 600 солнечных модулей	9 683

2. Практическая часть

2.1 СОЦИОЛОГИЧЕСКИЙ ОПРОС

Опросный лист

Мы собираем информацию о том, как жители нашего села относятся к СЭС, желают ли иметь СЭС в селе и дома.

Сообщите, пожалуйста, некоторые сведения о себе, поставив знак «Х» в соответствующих вашим данным пунктам:

Пол: _________ Муж. __________ Жен.

Возрастная группа: ____7-12 лет; ____13-17 лет; ____18-25 лет; ____26-35 лет; ____36-50 лет; ____ старше 50 лет.

Социальная категория: ____ учащийся ____ рабочий ____ служащий ____ пенсионер.

Ответьте, пожалуйста

Блок 1:

1)При разработке проекта в области проектирования солнечных электростанций важной составляющей является комплекс предпроектных работ, включающий в себя: (отметьте, с чем вы знакомы)

• выбор площадки;

• прогноз энергетической выработки солнечной электростанции;

• подбор оборудования;

• сроки окупаемости различных вариантов;

• экологические работы;

• экономические работы.

Из чего состоит и сколько стоит солнечная электростанция?

____________________________________________________________

Какие Вы знаете основные преимущества солнечных электростанций?

____________________________________________________________

____________________________________________________________

Какие проблемы могут возникнуть с солнечными электростанциями?

____________________________________________________________

____________________________________________________________

Как работает солнечная электростанция в ночное время и в пасмурные дни?

____________________________________________________________

Блок 2:

Нужно строить в поселке солнечную электростанцию? (государственный проект) Да нет

Почему вы так считаете? ______________________________________

Блок 3:

Хотите поставить СЭС у себя дома за свой счёт да нет

Обработав полученные данные у нас получились 3 диаграммы.

Важные вопросы, что нас заинтересовал, почему такой большой процент опрошенных не хотят устанавливать СЭС дома. Этот вопрос мы решили решить математически.

2.2 Сравнение окупаемости СЭС и бензинового генератора

Если рассчитать сколько модулей и по какай стоимости ставить на дом рассмотрим пример:

На данной крыше дома площадью 27 м² поместилась 54 модуля стоимость 2140320 тенге. Но при получаемой мощности с м² 400 Вт в час то получится примерно в ясную погоду 10.8 кВт в час за 8 часов 86 кВт в час.

При строительстве СЭС дома

Один модуль 210 S. На крышу площадью 32 м² можно поместить 54 модулей 2140320 тенге

Окупаемость СЭС
Стоимость 1 к Вт-ч электроэнергии в РК	15 тенге
Мощность вырабатываемая солнечной электростанцией c 1 м2 400 Вт в час при 12 модулей 186,5 кВт (в среднем)	33 570 тенге В год
12 модулей обойдутся 456 640 тенге	13 лет
Затраты на содержание бензинового генератора.
Моторесурс бензогенератора в среднем		3000 ч. всего 125 суток
При расходе 1 л/час, при цене 117 за литр за 125 суток по 12 часов в сутки		175500 тенге
Средняя цена бензогенератора (Дизель дороже)		60000 тенге
Постройка отдельного здания с шумоизоляцией и вытяжкой		60000 тенге
Итого:		295500 тенге

Важные вопросы, возникающие в процессе проектирования солнечных электростанций:

1. Одним из основных сдерживающих факторов развития солнечной энергетики является проблема выбора места для размещения солнечных электростанций. Мощность солнечного излучения на поверхности земли при безоблачном небе составляет около 1 кВт/м2. Для получения электроэнергии в промышленных масштабах необходимы мощности порядка миллиона киловатт. Это значит, что для промышленной солнечной электростанции с коэффициентом полезного действия порядка 10% и с учетом неравномерности мощности солнечного излучения в течение суток необходима площадь в десятки квадратных километров. Площадка для размещения солнечных электростанций должна быть ровной, пригодной для обслуживания и ремонта оборудования, свободной от хозяйственной деятельности человека. Идеальным решением этой проблемы является размещение солнечных электростанций на поверхности морей и океанов, площадь которых в пять раз больше, чем площадь суши. Однако, традиционные солнечные электростанции не пригодны для морского базирования.

2. Солнечная электростанция – это еще и один из самых прибыльных способов получения энергии, вы тратитесь только на строительство непосредственно солнечной электростанции. После ее ввода в эксплуатацию процесс получения электричества, фактически, полностью контролируется автоматикой, работу которой отслеживает дежурная смена в 5-7 человек. Для сравнения обслуживание атомной электростанции обходится в сотни тысяч долларов, а стоимость ее строительства исчисляется миллиардами долларов. На обслуживание гидроэлектростанции ежедневно заступает смена примерно в сто человек, не говоря уже о том, что на ее строительство тратятся сотни миллионов долларов, а природе наносится непоправимый экологический ущерб. Всего этого нет у солнечной электростанции. Она не приносит абсолютно никакого вреда окружающей среде, а ее обслуживание – минимально. Иначе говоря, себестоимость произведенного солнечными батареями киловатта электроэнергии предельно низка.

3. Промышленные солнечные электростанции могут устанавливаться как на земле, так и на крышах и стенах зданий, наземных конструкциях. Станции применяются как для обеспечения электричеством отдельных промышленных комплексов (как малых, так и крупных объектов), так и для генерации электричества в единую энергетическую сеть страны.

2.3 Расчет солнечной электростанции для дома

Солнечная система с аккумуляторами может питать много приборов при условии, что их энергопотребление не превышает количество энергии, произведенной генератором. Поэтому необходимо правильно определить мощность системы. Первый шаг в этом направлении - составление спецификации, т.е. технического описания системы.

Расчет энергопотребления

Для расчета солнечной системы, вам пригодится on-line калькулятор на нашем сайте - Расчет солнечных батарей. При проектировании домашней фотоэлектрической системы сначала нужно составить список всех электроприборов в доме, выяснить их потребляемую мощность и внести в список.

В таблице внизу даны для справки данные о средней потребляемой мощности некоторых приборов. Однако необходимо помнить, что это всего лишь приблизительные оценки. Чтобы рассчитать потребляемую мощность (E) системы с инвертором (для приборов переменного тока), нужно внести поправку (умножить среднее потребление на поправочный коэффициент, чтобы получить общую мощность). Так же для того, чтобы учесть потери в инверторе необходимо полученную мощность потребителей умножить на 1,2. Такие приборы, как холодильник, компрессор в момент пуска потребляют мощность в 5-6 раз больше паспортной, поэтому инвертор должен кратковременно выдерживать мощность в 2-3 раза выше номинальной мощности. Если потребителей с высокой мощностью достаточно много, но работают они очень редко, это может привести к тому, что у нас получится система с огромной выходной мощностью инвертора, как результат, очень дорогого. Тогда необходимо предусмотреть, чтоб не происходило одновременного включения таких приборов, это удешевит систему.

Пример:

№п/п	Нагрузка переменного тока	Ватт	Часов/день	Втч/день
1	Электрический чайник	1000	0,15	150
2	Холодильник	250	12	3 000
3	Телевизор	150	4	600
4	Освещение-экономлампы	100	4	400
	Всего	1500		4 150

Во-вторых, нужно оценить, сколько времени в течение дня используются те или другие электроприборы. К примеру, лампочка в гостиной горит 10 часов в сутки, а в кладовой - только 10 минут. Запишите эти данные во вторую колонку в следующей таблице. Потом составьте третью колонку, в которую впишите ежедневную потребность в энергии. Чтобы ее определить, нужно умножить мощность прибора на время его работы, например: 20 Вт x 4 часа = 80 Вт·ч. Запишите полученное число в третью колонку - это и есть ваше общее энергопотребление в день.

ПРИБОР	Мощность, Вт	Кол-во часов работы в день	Энергопотребление в день, Вт·ч
Экономлампа 1	20	4	80
Экономлампа 2	15	1	15
Экономлампа 3	20	2	40
Радиоприемник	4	8	32
Телевизор	150	4	600
Холодильник	250	12	3000
Всего	460		3767

Далее необходимо определить количество солнечной энергии, на которое можно рассчитывать в данной местности. Обычно эти данные можно получить у местного поставщика солнечных батарей или на гидрометеостанции. Важно учитывать два фактора: среднегодовую солнечную радиацию, а также ее среднемесячные значения при наихудших погодных условиях (см. более подробную информацию в статье Солнечная инсоляция - справочные таблицы).

С помощью первого значения фотоэлектрическую систему можно рассчитать в соответствии со среднегодовой солнечной радиацией, то есть в некоторые месяцы будет больше энергии, чем требуется, а в другие - меньше. Если вы руководствуетесь второй цифрой, у вас всегда будет как минимум достаточно энергии для удовлетворения ваших потребностей, кроме разве что чрезвычайно продолжительных периодов плохой погоды.

Теперь можно подсчитать номинальную мощность фотоэлектрического модуля.

Взяв из таблиц значение солнечной радиации за интересующий нас период и разделив его на 1000, получим так называемое количество пикочасов, т.е., условное время, в течении которого солнце светит как бы с интенсивностью 1000 Вт/м2.

Модуль мощностью Рw в течении выбранного периода выработает следующее количество энергии: W = k Pw E / 1000, где Е - значение инсоляции за выбранный период, k- коэффициент равный 0,5 летом и 0,7 в зимний период. Он делает поправку на потерю мощности солнечных элементов при нагреве на солнце, а также учитывает наклонное падение лучей на поверхность модулей в течении дня. Разница в его значении зимой и летом обусловлена меньшим нагревом элементов в зимний период.

Исходя из суммарной мощности потребляемой энергии и приведенной выше формулы - легко рассчитать суммарную мощность модулей. А зная ее, простым делением ее на мощность одного модуля, получим количество модулей.

Используя фотомодули разной мощности - 50 Вт, 70 Вт, 80 Вт, 100 Вт, 150 Вт и т.д,, можно построить генератор с необходимой нам установленной мощностью. Если потребность в энергии составляет, например, 84 Вт, лучше всего ей соответствует система из двух модулей по 50 Вт. Если же общая мощность модулей сильно отличается от вашей расчетной величины, придется пользоваться либо недостаточно мощным, либо слишком мощным генератором. В первом случае солнечная батарея не сможет удовлетворить общую потребность в энергии. Вам решать, устроит ли вас частичное обеспечение ваших потребностей. Во втором случае у вас будет избыток электроэнергии.

Определение емкости аккумуляторной батареи зависит от потребности в энергии и от количества фотоэлектрических модулей – от зарядного тока. Так как в подавляющем большинстве случаев используются свинцовые батареи, изготовленные по разным технологиям – AGM, gel, то для них оптимальным является 10% зарядный ток. В примере с ФМ 90 Вт минимальная емкость батареи составит 60 ампер-час (А·ч), а оптимальная - 100 А·ч. Такая батарея сможет сохранять 1200 Вт·ч при 12 В. Этого достаточно для электроснабжения, когда дневное потребление энергии составляет 280 Вт·ч.

Выбор постоянного напряжения системы

В прошлом почти во всех фотоэлектрических системах использовалось постоянное напряжение 12 В. Широко применялись приборы на 12 В, питавшиеся прямо от батареи. Теперь, с появлением эффективных и надежных инверторов, все чаще в аккумуляторах используется напряжение 24 и 48 В. В настоящее время напряжение электрической системы определяется дневным поступлением энергии в течение дня. Системы, производящие и потребляющие менее 1000…1500 Вт·ч в день, лучше всего сочетаются с напряжением в 12 В. Системы, производящие 1000--3000 Вт·ч в день, обычно используют напряжение 24 В. Системы, производящие более 3000 Вт·ч в день, используют 48 В.

Напряжение в системе - это очень важный фактор, который влияет на параметры инвертора, средств управления, зарядного устройства и электропроводки. Однажды купив все эти компоненты, их трудно заменить. Некоторые компоненты системы, например, фотомодули, можно переключить с 12 В на более высокое напряжение, другие - инвертор, проводка и средства контроля - предназначены для определенного напряжения и могут работать только в его рамках.

Компоненты: АККУМУЛЯТОРНАЯ БАТАРЕЯ

В аккумуляторе накапливается энергия, выработанная солнечным модулем. В качестве компонента домашней солнечной энергетической установки, аккумулятор выполняет три задачи: * Покрывает пиковую нагрузку, которую не могут покрыть сами фотоэлектрические модули (резервный запас). * Дает энергию в ночное время (кратковременное хранение). * Компенсирует периоды плохой погоды или слишком высокого энергопотребления (среднесрочное хранение).

Наиболее доступные по цене и имеющиеся во всем мире, автомобильные аккумуляторы. Однако они предназначены для передачи большого тока в течение короткого промежутка времени. Они плохо выдерживают продолжительные циклы зарядки-разрядки, типичные для солнечных систем, а так же имеют достаточно высокий саморазряд. Промышленность выпускает разнообразные аккумуляторные батареи для систем резервного питания, в том числе т.н. солнечные аккумуляторы, которые отвечают данным требованиям. Их главная особенность - низкая чувствительность к работе в циклическом режиме и низкий саморазряд.

Для большой фотоэлектрической системы емкости одного аккумулятора может оказаться недостаточно. Тогда можно параллельно подключить несколько аккумуляторов, соединив все положительные и все отрицательные полюса между собой. При зарядке аккумулятор выделяет потенциально взрывоопасные газы. Поэтому нужно остерегаться открытого огня. Однако выделение газов незначительное, особенно если используется регулятор заряда; так что риск не превышает обычного, связанного с использованием аккумулятора в автомашине. И все же аккумуляторы нуждаются в хорошей вентиляции. Поэтому не стоит накрывать их и прятать в ящики.

Емкость аккумулятора указывается в ампер-часах. К примеру, аккумулятор на 100 А·ч и 12 В может сохранять 1200 Вт·ч (12 В x 100 А·ч). Однако емкость зависит от продолжительности процесса зарядки или разрядки. Период подзарядки указывают как индекс емкости C, например, "C10" для 10 часов. Отметим, что производители могут изготавливать аккумуляторы для разных базовых периодов разряда.

При хранении энергии в аккумуляторе определенное ее количество в процессе преобразования и хранения теряется. Эффективность автомобильных батарей составляет около 75%, тогда как специализированные аккумуляторы имеют несколько лучшие показатели – 80…85%. Так же со временем теряется часть емкости аккумулятора при каждом цикле заряд-разряд, пока не снижается настолько, что его приходится заменять. Специализированные аккумуляторы для систем резервного питания служат значительно дольше, чем мощные автомобильные, срок службы которых составляет всего 2-3 года против 8-10.

Определение емкости аккумуляторной батареи

Важно, чтобы размер батареи позволял хранить энергию как минимум в течение 4 дней. Представим себе систему, которая потребляет 2400 Вт·ч в день. Разделив эту цифру на напряжение 12 вольт, получим дневное потребление 200 А·ч. Значит, 4 дня хранения равняются: 4 дня x 200 А·ч в день, равно 800 А·ч. Если используется свинцовая батарея, к этой цифре нужно прибавить 20%, а лучше 30…50%, чтобы аккумулятор никогда не разряжался полностью. Значит, емкость нашего идеального свинцового аккумулятора составляет минимально 1000 А·ч. Если же используется кадмиево-никелевая или железо-никелевая батарея, дополнительные 20…50% емкости не требуются, т.к. щелочным аккумуляторам не вредит регулярная полная разрядка. Также при выборе АКБ мы не рассматривали влияние температуры внешней среды (особенно отрицательных температур) на емкость аккумуляторов, что немного бы усложнило расчеты, но как показывает практика обычно АКБ размещают в отапливаемом помещении и соответственно поправка на температуру не существенна.

Внимание: Аккумуляторные батареи должны быть одного производителя, одной емкости, с одинаковым сроком изготовления – с одной партии поставки.

Компоненты: КОНТРОЛЛЕР ЗАРЯДА

Аккумулятор прослужит весь свой заявленный срок только в том случае, если он используется вместе с качественным контроллером заряда, который защищает батарею от чрезмерной зарядки и глубокой разрядки. Если батарея полностью заряжена, регулятор снижает уровень тока, вырабатываемого солнечным модулем до величины, компенсирующей саморазряд. И наоборот, регулятор прерывает поставку энергии на потребляющие приборы, когда аккумулятор разряжается до критического уровня. Таким образом, внезапное прекращение энергоснабжения может быть вызвано не поломкой в системе, а результатом действия этого защитного механизма.

Контроллеры заряда - электронные устройства, которые оборудованы предохранителями для предотвращения повреждения регулятора и других компонентов системы. Среди них - предохранители против короткого замыкания и изменения полярности (когда перепутаны полюса «+» и «-»), блокировочный диод, который препятствует разрядке батареи в ночное время. Так же они оборудованы разнообразными индикаторами - светодиодами, более продвинутые модели - LCD-дисплеями, которые отмечают состояние работы, режимы и поломки системы. В некоторых моделях отмечается уровень зарядки батареи, хотя его весьма трудно определить с точностью.

Компоненты: ИНВЕРТОР

Инвертор превращает постоянный ток низкого напряжения в стандартный переменный (220 В, 50 Гц). Инверторы бывают от 250 Вт до свыше 8000 Вт. Инверторы мощностью 3000 Вт и выше зачастую способны работать до нескольких шт. в параллельном подключении, увеличивая общую выходную мощность в соответствующее количество раз. Так же их можно объединять для построения 3-фазной сети. Электричество, вырабатываемое современными синусоидальными инверторами, отличается лучшим качеством, чем то, которое поступает к вам домой из местной энергосистемы. Существуют также "модифицированные" синусоидальные инверторы - они не так дороги, но при этом пригодны для большинства домашних задач. Они могут создавать небольшие помехи, "шум" в электронном оборудовании и телефонах. Инвертор также может служить "буфером" между домом и коммунальной энергосистемой, позволяя продавать избыток электроэнергии в общую электросеть.

Фотоэлектрические системы с резервными генераторами

При совместной работе фотоэлектрические системы и другие генераторы электроэнергии могут удовлетворять более разнообразный спрос на электричество с большим удобством и при меньших затратах, чем по отдельности. Когда электричество нужно непрерывно или возникают периоды, когда его нужно больше, чем может выработать одна только фотобатарея, ее может эффективно дополнить генератор. В дневные часы фотоэлектрические модули удовлетворяют дневную потребность в энергии и заряжают аккумулятор. Когда аккумулятор разряжается, дизель-генератор (либо бензиновый, или газовый) включается и работает до тех пор, пока батареи не подзарядятся. В некоторых системах генератор восполняет недостаток энергии, когда потребление электричества превышает общую мощность фотомодулей и аккумуляторов. Системы, в которых используются разнотипные электрогенераторы, объединяют в себе преимущества каждого из них. Двигатель-генератор вырабатывает электричество в любое время суток. Таким образом, он представляет собой резервный источник питания для дублирования фотоэлектрических модулей, зависящих от погоды. С другой стороны, фотоэлектрический модуль работает бесшумно, не требует ухода и не выбрасывает в атмосферу загрязняющие вещества. Комбинированное использование фотоэлементов и генераторов способно снизить первоначальную стоимость системы. Если резервной установки нет, фотоэлектрические модули и аккумуляторы должны быть достаточно большими, чтобы обеспечивать питание ночью.

Однако, использование двигателя-генератора в качестве резерва означает, что для обеспечения потребности в электричестве требуется меньшее количество фотоэлектрических модулей и батарей. Присутствие генератора делает проект системы более сложным, но управлять ею все равно достаточно легко. На самом деле современное электронное управление инверторов позволяет этим системам работать в автоматическом режиме. Инверторы можно запрограммировать на автоматическое переключение либо на генератор, либо на подзарядку батарей, либо комбинацию этих функций. Кроме двигателя-генератора, можно использовать электричество от ветроустановки, малой ГЭС или от другого источника, формируя, таким образом, гибридную электростанцию необходимого размера.

Компоненты: КАБЕЛИ

Лучший способ избежать ненужных потерь - использование соответствующих электрических кабелей и правильное их подключение к приборам. Кабель должен быть максимально коротким. Провода, соединяющие различные приборы, должны иметь площадь поперечного сечения не менее 4…6 мм2. Чтобы падение напряжения не превышало 3%, кабель между солнечным модулем и аккумулятором должен иметь поперечное сечение 0,35 мм2 (12-вольтная система) или 0,17 мм2 (24 В) на 1 метр на один модуль. То есть, кабель длиной 10 м для двух модулей должен быть не тоньше: 10 x 2 x 0,35 мм2 = 7 мм2. Поскольку с кабелем больше 10 мм2 в сечении трудно обращаться, иногда приходится смириться с более высокими потерями. Если часть кабеля пролегает под открытым небом, он должен быть устойчивым к плохим погодным условиям. Очень важна также его устойчивость к ультрафиолетовому излучению.

Компоненты: УСТРОЙСТВА СЛЕЖЕНИЯ ЗА СОЛНЦЕМ

Фотоэлектрические модули работают лучше всего тогда, когда фотоэлементы расположены перпендикулярно солнечным лучам. Слежение за Солнцем может привести к увеличению ежегодного производства энергии на 10% зимой и на 40% летом по сравнению с неподвижно закрепленным фотоэлектрическим модулем. "Слежение" реализуется с помощью монтажа солнечного модуля на подвижной платформе, поворачивающейся за Солнцем. Прежде всего, нужно сопоставить преимущество лишней энергии, полученной благодаря слежению за Солнцем, со стоимостью монтажа и техобслуживания системы слежения.

Устройства слежения недешевы. Во многих странах не имеет экономического смысла устанавливать слежение за Солнцем для менее чем восьми солнечных панелей (например, в США). При использовании восьми фотоэлектрических модулей мы получим больше энергии, если потратим деньги на увеличение числа панелей, а не на установку слежения. Только при восьми и более панелях устройство слежения окупится. У этого правила есть и исключения: к примеру, когда фотоэлектрические панели напрямую питают водяной насос, без аккумулятора, - тогда слежение за Солнцем выгодно для двух и более модулей. Это связано с техническими характеристиками, например, с максимальным напряжением, необходимым для питания двигателя насоса.

СРОК ЭКСПЛУАТАЦИИ КОМПОНЕНТОВ И СТОИМОСТЬ

Очень важным фактором экономического анализа является срок эксплуатации фотоэлектрической системы. Сроки службы разных компонентов солнечного энергоснабжения подсчитаны на основе опыта, накопленного за последние годы. * Срок службы фотоэлектрических панелей без заметного снижения КПД оценивается в 20…25 лет. * Каркасы и крепления из алюминия и нержавеющей стали (используются в большинстве фотоэлектрических систем) - срок службы не ниже фотоэлектрических модулей. * Аккумулятор. В зависимости от характера цикла заряд/разряд, либо буферный режим работы (разряд не более, чем на 30%), средний срок службы составляет от 4 до 10..12 лет. * Контроллеры заряда аккумуляторов рассчитаны по меньшей мере на 10 - 15 лет безремонтной эксплуатации. * Инверторы обычно служат не менее 10 - 15 лет. Многие производители дают гарантийный срок эксплуатации 5 лет

Примерные данные для калькуляции цен на фотоэлектрические системы:

Стоимость 1 Вт. мощности системы примерно составляет 2,5…3 €, в зависимости от используемых комплектующих – фотомодулей, аккумуляторных батарей, инверторов.

Заключение

В результате исследовательской работы выяснил, что более чем за полвека ученые перепробовали огромное количество различных вариантов и способов добычи и использования солнечной энергии. Дорогие и малоэффективные технологии уступали место привлекательным и дешевым разработкам, которые не прекращают совершенствоваться на протяжении многих лет.

Классификация «солнечных» технологий, разделенных учеными на 4 группы:

. Активные - вместе с преобразователями задействуются механизмы, электромоторы, помпы. Солнечная энергия используется для нагрева воды, освещения, вентиляции.

. Пассивные - отличаются от активных отсутствием в контурах систем каких-либо механизмов, движущих частей. Особенностью построения пассивных солнечных структур для организации систем вентиляции, отопления является подбор соответствующих по физическим параметрам строительных материалов, специфическая планировка помещения, размещение окон.

. Непосредственные или «прямым» - системы, преобразовывающие солнечную энергию в ходе одного уровня или этапа.

. «Непрямые» технологии - системы, процесс функционирования которых включает в себя многоуровневые преобразования и трансформации для получений требуемой формы энергии.

С помощью солнечного света можно освещать помещения в дневное время суток. Для этого применяются световые колодцы. Простейший вариант светового колодца - отверстие в потолке. Световые колодцы применяются для освещения помещений, не имеющих окон: подземные гаражи, станции метро, промышленные здания, склады, тюрьмы, и т.д.

Все еще противоречивая солнечная энергетика только начинает завоевывать страны с рыночной экономикой и развивающиеся государства.

Дороговизна технологий сдерживает этот процесс.

Однако постепенное удешевление установок делает энергию солнца все более привлекательной.

Уверен, успех развития этой отрасли напрямую будет зависеть от того, как быстро мы сможем начать оперировать с энергией Солнца.

Литература

• Жуков Г.Ф. Общая теория энергии.//М: 1995., с. 11-25

• Тепловые и атомные электрические станции. Справочник. Кн. 3. М., 1985, с. 69-93

• Видяпин В.И., Журавлева Г.П. Физика. Общая теория.//М: 2005,с. 166-174

• Тимошкин С. Е. Солнечная энергетика и солнечные батареи. М., 1966, с. 163-194

Web-sites

• http://www.stroyca.ru

• http://www.astro.alfaspace.net

• http://www. solbat.narod.ru/1.htm

• http://www. sunenergy.4hs.ru

• http://solar-battery.narod.r

• http://radioskot.ru

Источники информации:

• wikipedia.org

• sharp-world.com

• eetimes.com

• gagadget.com