Солнце - энергия будущего. Анализ погодных условий
реклама
1 Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение Чалтырская средняя общеобразовательная школа №1 ______________________________________________________ Исследовательская работа Солнце - энергия будущего Анализ погодных условий в с. Чалтырь для строительства солнечной электростанции. Работу выполнил: Рогов Александр Руководитель: учитель технологии и предпринимательства Гайбарян Валентина Мнацагановна с. Чалтырь 2013 2 Содержание Введение__________________________________________________3 Глава I. Солнечная энергия_________________________________5 1.1. История солнечной энергетики___________________________ 5 1.2 Преобразование солнечной энергии_________________________ 5 1.3. Солнечные элементы_____________________________________7 Глава II. Исследования погодных условий в с. Чалтырь для строительства солнечной электростанции______________________________ 14 Заключение_______________________________________________20 Литература_________________________________________________21 3 Введение Производство энергии, являющееся необходимым средством для существования и развития человечества, оказывает воздействие на природу и окружающую человека среду. С одной стороны в быт и производственную деятельность человека настолько твердо вошла тепло- и электроэнергия, что человек даже и не мыслит своего существования без нее и потребляет само собой разумеющиеся неисчерпаемые ресурсы. С другой стороны, человек все больше и больше свое внимание заостряет на экономическом аспекте энергетики и требует экологически чистых энергетических производств. Это говорит о необходимости решения комплекса вопросов, среди которых перераспределение средств на покрытие нужд человечества, практическое использование в народном хозяйстве достижений, поиск и разработка новых альтернативных технологий для выработки тепла и электроэнергии и т.д. Во второй половине ХХ столетия перед человечеством встала глобальная проблема - это загрязнение окружающей среды продуктами сгорания органического топлива. Даже если рассматривать отдельно каждую отрасль этой проблемы, то картина будет складываться ужасная. К примеру, вот статистики по выбросам в окружающую среду вредных веществ автомобилями: с выхлопными газами автомобилей в атмосферу попало 14,7 миллиона тонн оксида углерода, 3,4 миллиона тонн углеводородов, около одного миллиона тонн оксидов азота, более 5,5 тысячи тонн высокотоксичных соединений свинца. К этому еще необходимо добавить продукты сгорания топлива на тепловых электростанциях, затопление огромных территорий гидроэлектростанциями и постоянная опасность в районах АЭС. Но у этой проблемы есть и вторая сторона медали: все ныне используемые источники энергии являются исчерпаемыми ресурсами. То есть через столетие при таких темпах потребления угля, нефти и газа население Земли увязнет в энергетическом кризисе. Потому ныне перед всеми учеными мира стоит проблема нахождения и разработки новых альтернативных источников энергии. Проблемы, связанные с происхождением, экономичностью, техническим освоением и способами использования различных источников энергии, были и будут неотъемлемой частью жизни на нашей планете. Прямо или косвенно с ними сталкивается каждый житель Земли. Понимание принципов производства и потребления энергии составляет необходимую предпосылку для успешного решения приобретающих все большую остроту проблем современности и в еще большей степени – ближайшего будущего. Энергетика оказалась первой крупной отраслью мировой экономики, которая столкнулась с ситуацией, когда традиционная сырьевая база оказалась на грани истощения. Загрязнение окружающей среды продуктами сгорания ископаемых источников стало основной причиной ухудшения экологической обстановки 4 на Земле. Немаловажно и «тепловое загрязнение» планеты, сопровождающее сжигание любого топлива. В связи с этим допустимый верхний предел выработки энергии на Земле, по оценкам ряда ученых, всего в сто раз выше нынешнего уровня. Такой рост энергопотребления может привести к увеличению средней температуры примерно на10С. Нарушение энергобаланса планеты в таких масштабах может повлечь за собой опасные необратимые изменения климата. Данная исследовательская работа является кратким, но обширным анализом современного состояния энергоресурсов человечества. В работе рассмотрено развитие солнечной энергетики, как отрасли народного хозяйства, эволюции источников энергии, а также проблемы, освоения и использования новых ресурсов, что делают её актуальной. Объектом данного анализа является работа технологий и конструкций альтернативных источников энергии. Предмет исследования - литература по данной теме Цель работы - исследование возможности эффективного использования солнечной энергии для снижения расхода традиционных видов топлива и защиты окружающей среды. изучить историю и перспективы развития солнечной энергии, её влияние на экологию и экономику. Задачи: Изучить возможность использования солнечных батарей для получения электрической энергии. Изучить положительные и отрицательные стороны солнечных батарей, их перспективы использования количество вырабатываемой энергии солнечными панелями 5 ГЛАВА I. ЭНЕРГИЯ СОЛНЦА. 1.1.История солнечной энергетики Согласно легенде Архимед, находясь на берегу, уничтожил неприятельский римский флот под Сиракузами. Как? При помощи зажигательных зеркал. Известно, что подобные зеркала делались также в VI веке. А в середине XVIII столетия французский естествоиспытатель Ж.Бюффон производил опыты с большим вогнутым зеркалом, состоящим из множества маленьких плоских. Они были подвижными и фокусировали в одну точку отраженные солнечные лучи. Этот аппарат был способен в ясный летний день с расстояния 68м довольно быстро воспламенить пропитанное смолой дерево. Позднее во Франции было изготовлено вогнутое зеркало диаметром 1.3 м, в фокусе которого можно было за 16 секунд расплавить чугунный стержень. В Англии же отшлифовали большое двояковыпуклое стекло, с его помощью удавалось расправлять чугун за три секунды и гранит – за минуту. В конце XIX века на Всемирной выставке в Париже изобретатель О.Мушо демонстрировал инсолятор – в сущности первое устройство, превращавшее солнечную энергию в механическую. Но принцип был тем же: большое вогнутое зеркало фокусировало солнечные лучи на паровом котле, который приводил в движение печатную машину, делавшую по 500 оттисков газеты в час. Через несколько лет в Калифорнии построили действующий по такому же принципу конический рефлектор в паре с паровой машиной мощностью 15 л.с. И хотя с той поры то в одной, то в другой стране появляются экспериментальные рефлекторы-нагреватели, а в публикуемых статьях все громче напоминают о неиссякаемости нашего светила, рентабельнее они от этого не становятся и широкого распространения пока не получают: слишком дорогое удовольствие это даровое солнечное излучение. 1.2 Преобразование солнечной энергии. По классификации астрономов, Солнце – желтый карлик, очень «средняя» для Галактики звезда по своим параметрам: массе, радиусу, температуре и звездной величине. Но ему человечество и обязано своим существованием. Наше светило поставляет Земле мощность около 1017 Вт, обеспечиваемую «солнечным зайчиком» диаметром 12.7 тыс. км, который постоянно освещает обращенную к Солнцу сторону нашей планеты. Интенсивность солнечного света на уровне моря в южных широтах, когда Солнце находится в зените, составляет 1 кВт/м2. Легко сообразить, что при разработке высокоэффективных методов преобразования солнечной энергии 6 Солнце «удовлетворит» бурно растущие потребности в энергии на многие сотни лет. Между тем у широкого использования солнечной энергии немало противников. Их доводы сводятся в основном к двум тезисам: - во-первых, удельная мощность солнечной радиации мала, и крупномасштабное преобразование солнечной энергии потребует очень больших площадей. - во-вторых, преобразование солнечной энергии очень дорого, так что широкое ее применение нереально. Попробуем оценить, какую площадь должны занять преобразователи, чтобы заметно пополнить мировой энергетический бюджет. Очевидно, это зависит от эффективности преобразователей. Для ее оценки введем понятие «КПД фотоэлемента», - показывающее на его поверхность солнечного зайчика превращается в электроэнергию. Так, при КПД, равном 10% (типичные значения для серийных фотоэлементов и кремния), для получения 1012 Вт электроэнергии потребовалось бы покрыть преобразователями 40 тыс. км2, т.е. квадрат со стороной 200 км. Интенсивность солнечной радиации принята равной 250 Вт/м2, что соответствует ее среднегодовому значению для южных широт. «Освоить» такую площадь для современной индустрии – задача вполне разрешимая. Таким образом, «низкая плотность» солнечной радиации не выглядит серьезным препятствием. Отсюда ясно: проблему преобразования солнечной энергии необходимо решать сегодня, чтобы использовать ее завтра. Образно говоря, так мы решим задачу «управляемого термоядерного синтеза», ведь самой природой создан весьма эффективный реактор (Солнце), надежная и безопасная работа которого гарантирована на многие миллионы лет, а нам осталось лишь разработать наземные преобразовательные подстанции. В последнее время в мире проведены широкие исследования, которые показали, что уже в ближайшее время этот метод получения энергии может стать экономически оправданным. Так, в ряде районов Центральной Азии продолжительность прямого солнечного облучения достигает 3000 часов в год, а годовой приход солнечной энергии на горизонтальную поверхность составляет 1500-1850 кВт.ч\м2. Для южных районов нашей страны использование солнечной энергии также имеет большое значение. Главными направлениями работ в области преобразования солнечной энергии в настоящее время являются: Прямой тепловой нагрев (получение тепловой энергии) и термодинамическое преобразование (получение электроэнергии с промежуточным преобразованием солнечной энергии в тепловую); Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии. Первый метод прост и широко используется в южных районах России (как и в тех странах, где и солнечнее, и теплее) в установках солнечного 7 отопления, снабжения горячей водой, охлаждения зданий, опреснения воды и т.п. Нагретая в плоских солнечных коллекторах вода или другая жидкость насосом либо за счет естественной циркуляции подается в хранилище, откуда башенные, с концентрацией солнечного излучения системой плоских зеркал на одном мощном гелиоприемнике. Рассредоточенные, т.е. системы из параболоидов и параболических цилиндр, в фокусе которых размещены тепловые приемники и преобразователи. Малой мощности. Широкое практическое использование для энергетических целей солнечных батарей началось с запуском в 1958 г. искусственных спутников Земли – третьего советского и американского «Вэнгарда». С тех пор полупроводниковые солнечные батареи остаются основным источником энергии на спутниках и орбитальных станциях. Накопленный опыт изготовления солнечных батарей для «космоса» способствовал быстрому развитию и наземной фотоэлектрической энергетики. Основу фотоэлементов составляет полупроводниковая структура с р-n переходом, возникающим на границе двух полупроводников с различными механизмами проводимости. Заметим, что эта терминология берет начало от английских слов positive («положительный») и negative («отрицательный»). Разные типы проводимости получают, вводя в полупроводник разные примеси. Так, атомы Ш группы Периодической системы Менделеева, введенные в кристаллическую решетку кремния. Придают последнему дырочную (продолжительную) проводимость, а примеси V группы – электронную (отрицательную). При соприкосновении полупроводников с разными типами проводимости между ними образуется контактное электрическое поле, чрезвычайно важное для работы солнечного фотоэлемента. Также широко используется р-n переход в выпрямителях, транзисторах и других полупроводниковых приборах. Основа солнечного фотоэлемента – пластина из полупроводникового материала, например, кремния. В пластине создают области р-n проводимости. Для этого в кремний внедряют различные примеси или наращивают один слой полупроводника на другой. Затем изготавливают нижний и верхний электроды, причем нижний контакт – сплошной, а верхний – в виде «гребенки» (тонкие полоски, соединенные широкой тонкосборочной шиной). 1.3.Солнечные элементы и принцип их работы Солнечные элементы изготавливают преимущественно из кремния – химического элемента, которого в окружающей природе более чем достаточно. Из него состоит почти треть массы земной коры. Главные минералы, содержащие кремний, - кремнезем и силикаты, или попросту – песок и камни. 8 Однако доступность сырья – вовсе не говорит о легкости получения конечного продукта. Для изготовления фотоэлементов необходим чистый кремний, количество примесей в котором недолжно превышать одной миллионной доли! С этой целью кремний подвергают тщательнейшей многократной очистке. Одна из конечных операций выглядит так. Слиток кремния помещают в высокочастотную печь, подобную тем, что получают сейчас распространение в быту для быстрого приготовления пищи. Продукты в таких печах, как известно, разогреваются изнутри электромагнитным полем высокой частоты. То же самое происходит и с кремнием. Режим подбирают таким образом, чтобы в середине слитка образовалась зона расплава. Перемещаясь вдоль слитка, эта зона уносит с собой примеси. Дальнейшей переработке подвергается та часть слитка, которая в результате этой операции оказалась наиболее чистой. Однако примеси в кремнии все-таки должны присутствовать, причем вполне определенные. И доля их должна быть тоже определенной – не выше одной стотысячной. Ясно, что процесс введения примесей, который называется легированием, не может быть простым. Еще одно требование к материалу будущего фотоэлемента – идеальная четкость его внутренней кристаллической структуры. Чтобы ее достигнуть. Заготовку для выпиливания пластинок фотоэлементов выращивают как единый кристалл. В расплавленный кремний опускают маленький кристалл этого же материала и затем очень медленно вытягивают его обратно. Извлекаемая вслед за ним колонка затвердевшего кремния представляет собой единый кристалл уже больших размеров. Чтобы получить готовые фотоэлементы, заготовку недостаточно распилить на тонкие пластинки. Той стороне ее поверхности, которая будет обращена к свету, еще необходимо придать сложную внутреннюю структуру. Для этого будущие фотоэлементы выдерживают некоторое время при высокой температуре в атмосфере паров еще одного легирующего элемента. И, наконец. Припайка контактов к готовой пластинке. Трудность этой операции состоит в том, что кремний не является металлом и пайке не поддается. Поэтому вновь приходится прибегать к различным ухищрениям. Первые солнечные элементы были изготовлены из кремния более 40 лет назад, и естественно, что этот распространенный на Земле материал играет первую скрипку в программах развития солнечной энергетики. До недавнего времени солнечные батареи (как космические, так и наземного применения) изготавливали из дорого монокристаллического кремния. В последние годы удалось удешевить производство, заменив его поликристаллическим кремнием и разработав новые технологии изготовления элементов. В результате стоимость наземных солнечных батарей снизилась во много раз. 9 Солнечный элемент состоит из трёх слоев: отрицательного кремневого слоя, переходного слоя, положительного кремневого слоя. Дальнейшее снижение стоимости «солнечной» электроэнергии связано с совершенствованием элементов на основе поликристаллического кремния: разработкой еще более дешевых пленок на основе аморфного кремния и других полупроводниковых материалов; преобразованием концентрированного солнечного излучения с помощью элементов на основе кремния и относительно нового полупроводникового материала алюминийгаллий-мышьяк. В последние несколько лет достигнут значительный прогресс в разработке кремниевых солнечных элементов, работающих при концентрированном солнечном облучении. Линза Френеля представляет собой выполненную из органического стекла платину толщиной 1-3 мм, одна сторона которой плоская, а на другой образован профиль из концентрических колец, повторяющий профиль выпуклой линзы. Они гораздо дешевле обычных выпуклых линз и концентрируют солнечное излучение в тысячу раз сильнее. Уже созданы кремниевые элементы с КПД выше 25% при концентрации в 20-50 раз по сравнению с обычными условиями облучения на поверхности Земли. Еще большую интенсивность излучения (до 1000 «солнц») выдерживают фотоэлементы из алюминия – галлия- мышьяка, созданные в ФТИ им. А.Ф.Иоффе в 1969г. Несмотря на высокую стоимость, они вполне конкурентоспособны благодаря многократному уменьшению площади преобразователей и высокому КПД. большее внимание уделяется каскадным солнечным элементам, в которых солнечный спектр расщепляется на части (например, видимую и инфракрасную), каждая из которых преобразуется «своими» фотоэлементами, выполненными из разных материалов. В этом случае КПД может достигать 40%. Принцип работы солнечных элементов построен на фотоэлектрическом эффекте – преобразовании энергии света в электричество. Когда солнечная энергия попадает на неоднородный полупроводник (неоднородность может достигаться различными путями, например легированием), в нем создаются неравновесные носители заряда обоих типов. При подключении данной системы к внешней цепи можно «собирать» электроны, соответственно создавая электрический ток. 10 Рис. 12 Принцип работы солнечной батареи Есть много эффектов, которые отрицательно сказываются на величине получаемого тока (например, частичное отражение солнечных лучей или их рассеяние), поэтому исследовательская работа по созданию наиболее подходящего материала очень актуальна на сегодняшний день. (Андреев, 1996) В настоящее время у нас в стране выпускаются солнечные элементы на основе арсенида галлия. Они самые лучшие. У них высокий КПД — в промышленно выпускаемых устройствах более 30%, они не боятся облучения, выдерживают высокие температуры. Не случайно именно из них сделаны солнечные батареи на современных спутниках. А выпускают такие солнечные элементы для космоса на московском предприятии ОАО «НПП «Квант». Это старейшее предприятие солнечной энергетики в стране, а может быть, и в мире — на нем были сделаны первые солнечные батареи для советских космических аппаратов. Собственно, оттуда, из сферы освоения космоса, и пошли все многочисленные элементы, которые преобразуют солнечный свет в электричество и претендуют на то, чтобы в недалеком будущем заменить тепловые электростанции. 11 Элемент на основе арсенида галлия — это гетероструктура, которая состоит из нескольких основных слоев микронной толщины. Чтобы они хорошо сопрягались, их перемежают нанослоями специального назначения (всего элемент космического назначения содержит более 30 слоев, причем половина из них нанометрического размера). Это могут быть и диффузионные барьеры, и диффузионные буферные слои, и слои эпитаксиального зарождения, и легирующие прослои, и релаксационные буферные гридструктуры из чередующихся нанослоев, и периодические нанослойные брегговские зеркала, и встроенные туннельные диоды, и так называемые квантовые ямы, и слои с квантовыми точками. Создают гетероструктуру на подложке — пластинке, вырезанной из монокристалла германия, — в специальном реакторе. Туда, в изолированное от человека пространство, по газовым магистралям поступают сверхчистые металлорганические соединения. В реакторе они разлагаются и тончайшими слоями оседают на поверхности подложки. Чтобы все прошло так, как надо, требуется точнейшим образом контролировать в реакторе общую температуру и ее градиент в различных зонах, давление, скорости потоков. «Технология очень сложна. Мы постоянно ведем исследовательскую работу, чтобы понимать, что за процессы идут в реакторе. Со временем его характеристики меняются, и нужно постоянно регулировать происходящие в нем процессы», — поясняет Е.В.Обручева. После того, как гетероструктура создана, ее извлекают из реактора и отправляют далее — в установку для нанесения многослойных металлических контактов и защитного стекла. Потом следует тестирование, и на выходе получается элемент будущей солнечной батареи космического аппарата, которая может служить до пятнадцати лет в жестких условиях космоса, стабильно выдавая до 350 Вт с квадратного метра своей поверхности. «Когда мы начинали создание участка, невозможно было найти специалистов, которые могли бы работать на этом оборудовании, — говорит Е.В. Обручева. — Тогда мы заключили договор с МИСиС, где имеется крупная школа по материаловедению полупроводников, и они стали специально для нас готовить студентов, которых мы сразу же приобщали к делу. Например, лабораторные работы ставили на действующем оборудовании, причем решали реальные задачи, связанные с отладкой процесса. В результате у нас сейчас сложился самый молодой коллектив на предприятии». Каков же результат? Если еще пять лет назад Роскосмос закупал такие батареи за рубежом, например для оснащения спутников системы ГЛОНАСС, то теперь, после создания промышленного цеха на базе этого участка, такие заказы можно будет выполнять и в России. 12 Солнечные батареи – это большие по площади модули, которые собираются из отдельных элементов. Эти элементы – это обычно небольшие пластины (размеры которых в среднем 130×130мм), с припаянными к ним контактами. Этот вид энергии абсолютно экологичен – нет никаких ядовитых и опасных выбросов в атмосферу, они не загрязняют воду или почву, у них даже отсутствует опасное излучение. К тому же это весьма надежный источник альтернативной энергии – по расчетам ученых солнце будет светить еще несколько миллионов лет. К тому же, энергия солнца абсолютна бесплатна. Другое дело, конечно, что создание самого солнечного элемента является довольно дорогой процедурой. Но у данного вопроса есть и обратная сторона. Притом, что энергия солнца бесплатна и огромна, она, увы, непостоянна. Работа солнечных батарей сильно зависит от погоды. В пасмурную погоду количество вырабатываемого электричества падает в разы. А ночью и вовсе прекращается. Пытаясь как-то справиться с этим, ученые разработали всевозможные аккумуляторы. Но при нагрузке таких огромных солнечных станций, аккумуляторы не выдерживают больше часа. Поэтому использование солнечных батарей возможно только совместно со стабильным (пусть и более дорогим) источником электроэнергии. Достоинства: Общедоступность и неисчерпаемость источника; Теоретически, полная безопасность для окружающей среды, хотя существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо (характеристику отражательной (рассеивающей) способности) земной поверхности и привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно). Недостатки: Зависимость от погоды и времени суток; Как следствие необходимость аккумуляции энергии; Высокая стоимость конструкции; Необходимость периодической очистки отражающей поверхности от пыли; Нагрев атмосферы над электростанцией. Важно подчеркнуть, что использование ВИЭ оказывается целесообразным, как правило, лишь в оптимальном сочетании с мерами повышения энергоэффективности: например, бессмысленно 13 устанавливать дорогие солнечные системы отопления или тепловые насосы на дом с высокими тепловыми потерями, неразумно с помощью фотоэлектрических преобразователей обеспечивать питание электроприборов с низким КПД, например, систем освещения с лампами накаливания. Вывод: солнечная энергия является экологически чистой и доступной, что ещё раз доказывает актуальность строительства таких электростанций. 14 Глава II. Исследования погодных условий в с. Чалтырь для строительства солнечной электростанции. Альтернативные источники энергии, в том числе домашние солнечные панели становятся все более популярными в наше время. Почему? Цены на нефть и газ продолжают расти. Это вынуждает людей больше сберегать и меньше тратить. Ученые и исследователи обнаружили, что срок действия и функциональность солнечных панелей для дома гораздо экономичнее, чем традиционные способы получения энергии. Целью исследования данной работы является доказательство возможности строительства солнечной электростанций в нашей местности. Задачи исследования: сделать вывод о возможности строительства солнечной электростанции в нашей местности. Гипотеза: Если преобразовывать солнечную энергию в электричество, то гораздо выгоднее для потребителя. Кроме того, это экологически чистый источник энергии, что особенно важно в наше время. Объект исследования – солнечная энергия. Методика исследования: изучение и наблюдение за солнцем в нашей местности, математические расчеты. Проведём наблюдение за солнцем в нашей местности и произведём расчёт установки, которая удовлетворила бы потребности в электроэнергии место общественного питания (кафе). Пронаблюдав за температурой воздуха в летние месяцы с 2010-2012, мы сделали вывод, что температурные показатели являются оптимальными для проектирования установок. Средняя температура для периода с мая по октябрь составляет + 23,8 °C. месяц май Средняя 20 температура по месяцам°C. июнь 24 июль 27 август сентябрь октябрь Средняя температура за 6 месяцев 28 25 19 °C. 23,8 По таблице солнечной инсоляции (количество электромагнитной энергии (радиации), падающей на поверхность земли) определили уровень инсоляции в нашем регионе. Продолжительность солнечного сияния в Ростове - на – Дону более 2000 ч/ год. (К-5) 15 Дневная сумма солнечной радиации, кВт*ч/м2 горизонтальная площадка Город Янв Фев Март Апр Май Июн Июл За Авг Сент Окт Нояб Дек ь ь год Ростов 1,27 2,09 2,98 4,09 5,53 5,76 5,86 5,17 3,85 2,38 1,31 1 3,45 -наДону Мною было изучено достаточное количество доступной информации, необходимой для проведения соответствующих расчетов, изучены различные виды панелей, области их современного использования. Расходы электроэнергии кафе за 2012 год составляют 6673кВт*ч; Если рассчитать, то получится, что затраты на электроэнергию в год составляют 40038 рублей. На 2013 год прогнозируется рост цен от 7 до 9 рублей за кВт.ч. Pрас /Nмес= P мес ( где Pрас - расходы электроэнергии кафе за год, Nмес - число месяцев, P мес - мощность, потребляемая за месяц); За месяц в среднем: 6673 кВт*ч/12 мес. = 556 кВт*ч; P мес / Nдней = Pсут (где Nдней - число дней в месяце, Pсут - мощность, вырабатываемая в сутки ); За сутки в среднем: 556кВт*ч/30 дней = 18, 5 кВт*ч. Результаты проверим опытным путём: 16 Основные потребители с нагрузкой переменного тока Холодильник бытовой Микроволновая печь компьютер лампочка лампочка итого Мощность, Кол-во приборов Работа, Нагрузка, час/день Втч/день 200 2 24 9600 1000 1 1 1000 500 20 11 2 16 8 5 7 5 5000 2240 440 18280 ВТ Чтобы на все 100% заменить расходы на электроэнергию, нам необходимо рассчитать количество солнечных модулей, имеющих именно такую мощность на выходе. Для нашего здания мы приняли, что среднее потребление электроэнергии составляет 19кВт*ч. в сутки. Расчет мощности ФЭС с учетом прогнозируемых потребностей. среднесуточная потребляемая мощность объекта – 19 кВт*ч, номинальная мощность фотоэлектрического модуля (ФЭМ) – 200 Вт, период эксплуатации объекта – с мая по октябрь, коэффициент солнечной инсоляции за майоктябрь – 5. При условии, когда объект будет эксплуатироваться круглогодично, количество ФЭМ определяется исходя из худших погодных условий, т. е. периода времени с наименьшим сезонным коэффициентом инсоляции. Допустим, что коэффициент солнечной инсоляции за период ноябрь-май равен 4. Расчет количества солнечных батарей и аккумуляторов: При применении стандартных солнечных батарей размером мощность 200 Вт. P сут х 30% = P пот (где P пот - потери); 19000Вт *ч/сутки × 30% = 5700 Вт - потери. (P сут + P пот ) / N сол. часов = P общ (P общ - общая мощность); (19000Вт + 5700Вт) / 4 часа =6175 Втч P общ / P бат = N пан (P бат – мощность одной батареи, N панелей); пан - число необходимых 17 6175 Вт/ 200 Вт = 31штука. Когда речь идет об энергосистемах, снабжающих квартиру или коттедж, то лучше перейти на аккумуляторы напряжением 24 В. P сут х 30% = P пот (где P пот - потери); Рассчитаем количество аккумуляторов 24700Вт*ч/24В=1029А*ч., округлим до1100А*ч-ёмкость аккумулятора Если мы остановим свой выбор на батареях емкостью 200 А*ч, то их необходимое количество составит 1100 А*ч / 200 А*ч = 6шт. Причем даже значительное округление в бóльшую сторону не будет лишним, поскольку дополнительная емкость снизит глубину разряда на каждом из аккумуляторов, а значит, увеличит срок их службы Чтобы зарядить аккумулятор, емкостью 1100 А.*ч. нужен контролер заряда аккумулятора, с током, в 10 раз меньшим, чем емкость аккумулятора. Т.е., в моем случае, с током заряда аккумулятора в 1100 А.*ч. / 10 (коэффициент)=110А. Очевидно, что солнечная батарея должна обеспечить ток заряда аккумулятора, и больший ток. В моем случае, солнечная батарея должна выдавать 110 А. и более. Умножаем 1100 А*ч х24 В.=26400Вт – мощность солнечной батареи, которой хватит, на автономное энергоснабжение объекта. Итак, если исходить из стандартной солнечной батареи размером 160×80 см (Sсб =1,6 × 0,8 =1,28 м2 ) , мощностью 200 Вт, необходимо поставить не менее 31 панелей, общей площадью: Sобщ = Sсб × 31 = 1,28 м2 ×54 = 39,68 м2 Учитывая, что примерная площадь крыши здания около 160 м2 , реально можно было бы расположить рассчитанное нами количество солнечных модулей. Еще один элемент солнечной системы – контроллер заряда (КЗ). Несмотря на то, что его стоимость составляет менее 1 % от общей стоимости системы, он играет ключевую роль в эффективной работе ФЭС. Он предохраняет аккумуляторную батарею от перезаряда и глубокого разряда, тем самым продлевая срок службы батареи. Последним «звеном» в солнечной электростанции является инвертор. Этот элемент преобразует постоянное напряжение, поступающее от АБ, в переменное напряжение, поступающее в электрическую сеть объекта. Мощность инвертора, необходимого для конкретного автономного объекта, определяется как суммарная мощность потребления всех электроприборов, которые в нем находятся. Экономический расчёт установки Мы просмотрели множество вариантов установок. Если купить готовую станцию, которая покроет все расходы на электроэнергию, то она обойдётся 18 нам приблизительно в1- 1,5 миллиона. Такая станция быстро не окупится. Поэтому мы нашли более подходящий вариант «конструктор» для сборки системы. Cолнечные батареи монокристаллические 200Вт цена за шт: 15600 руб. Информация о товаре Монокристаллический кремний, из-за высокой чистоты, имеет самые высокие показатели коэффициента полезного действия (КПД) и долговечности (срок службы до 50 лет, КПД до 18%). Гарантия качества до 10-ти лет Технические характеристики ФЭМ 200/24: Мощность: 200 Вт Напряжение в точке Описание, максимальной мощности – 37В характеристики Ток в точке максимальной мощности – 5,4А Напряжение холостого хода — 45,5В Вес: 16,2 кг Размеры: 1585х805х34мм. Параметры измерены при стандартных условиях (освещенности 1000 Вт/м2 и температуре 25 °С) Ранее мы посчитали, что нам понадобится 31 панель. Панели-15600х31=483600 рублей Инвертор и КЗ, аккумуляторы, провод примерно обойдутся в 100000 Установка 10% от стоимости – примерно 58000 483600+100000+58000=641600 рублей. 19 Если электроэнергия будет реализовываться по такой же цене, то установка окупится за 16 лет, но мы знаем, что цены на электроэнергию будут расти плюс нестабильное экономическое положение - всё это ещё раз доказывает, что солнечная энергия должна использоваться в полном объёме. Наука не стоит на месте, учёные работают над новыми материалами, которые в разы сократят стоимость солнечной установки. Итак, наша гипотеза подтверждена: если преобразовывать солнечную энергию в электричество, то гораздо выгоднее для потребителя; это экологически чистый источник энергии, что особенно важно в наше время. 20 Заключение Солнечная энергетика еще в самом начале пути. Ее вклад в общее мировое энергопотребление не превышает 0,1%, а среди возобновляемых источников ей принадлежит около 1%. Но технический прогресс, достигнутый в этой области за последнее десятилетие, так велик, что специалисты дают весьма оптимистические прогнозы: уже к середине XXI века солнечная энергетика наряду с другими возобновляемыми источниками (геотермальные и приливные станции, ветровые турбины и др.) может занять ведущее положение в мире. Тогда солнечная энергия войдет в каждый дом и на смену сегодняшним задымленным городам придут чистые и светлые. Очень хотелось бы, чтобы это "солнечное половодье" пришло и в нашу страну. Сгенерированная на основе солнечного излучения энергия сможет к 2050 году обеспечить 20-25 % потребностей человечества в электричестве и сократит выбросы углекислоты. Производство солнечных панелей растет очень быстро, стараясь поспеть за растущим спросом. Лидером по производству является Китай. Здесь производят почти 29% от общемировой продукции. Ненамного отстают Япония и Германия, которые производят соответственно 22% и 20% от всей продукции. В России производство солнечных фотоэлектрических панелей до сих пор находится в начальном состоянии, но мне кажется это перспективный выход для индивидуальных пользователей. В заключение можно сказать, что использование альтернативных источников энергии в последнее время становится весьма актуальным. В г. Нижний Новгород в 2011году была построена первая поликлиника, снабженная солнечными панелями для аварийного использования электроэнергии. В своей работе я рассмотрел возможность использования электроэнергии, полученной от солнечных панелей, расположенных на крыше колледжа. Произвел расчет количества необходимых панелей. Исходя из проведенных нами расчетов, можно сделать вывод, что в летний период времени колледж может полностью обеспечить себя «бесплатной» солнечной энергией, не прибегая к услугам городских энергоснабжающих организаций. В обозримом будущем природное топливо по-прежнему будет важным источником энергии. Однако природные ресурсы ограничены, и в конце концов человечество будет вынуждено перейти на использование энергии ветра и Солнца, о чем с незапамятных времен мечтают защитники окружающей среды. Теоретически, каждое предприятие, здание, жилой дом может иметь свой собственный экологически чистый, возобновляемый источник энергии, что позволит достаточно существенно уменьшить затраты на использование электроэнергии. 21 Литература 1. Андреев В. - Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии//Соросовский образовательный журнал. – 1996, №7. 2. Комаров С.М. Как делают солнечный элемент// «Экология иЖизнь», 2012, 3. Лаврус В.С. Источники энергии- Киев Н Т.,199№8 4. //Наука и жизнь. 1988, №6,7 5. Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки. Энергоатомиздат, 1991. - 208с. 6. Энциклопедия для детей. Техника, М., «Аванта+», 1999 7 Данные метеостанции школы №1 за 2009-2011 г.г. - М.: 22
