Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение
средняя общеобразовательная школа № 000
Тема: Альтернативные источники энергии. Исследование работы солнечных батарей в климатических условия Ленинградской области в зимний период времени.
Научно-исследовательский проект
ученик 3Б класса школы 619
Руководитель:
Санкт - Петербург
2017
Оглавление
1. Введение 3
1.1. Цель работы 3
1.2. Задачи работы 3
1.3. Актуальность исследования 3
2. Альтернативные источники энергии 4
2.1. Виды альтернативных источников энергии 4
Энергия ветра 5
Энергия солнца 5
Энергия из отходов 5
Энергия тепла земли 6
2.2. Солнечная энергия 6
2.3. Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения 7
3. Солнечная зарядная станция 7
3.1 Солнечная батарея 7
3.2 Как работают солнечные батареи? 7
3.3 Конструкция солнечной электростанции 9
4. Экспериментальная часть 10
4.1 Монтаж солнечной электростанции 10
4.2 Тестирование 10
5. Заключение 11
Выводы: 11
Характеристика перспектив дальнейшей работы над проблемой 12
Список литературы 14
Приложение 1 15
Приложение 2 16
1. Введение
1.1. Цель работы
Цель работы: исследовать возможность использования альтернативных источников энергии на даче в качестве системы резервного электроснабжения на случаи отключения света длительностью на один час интенсивного использования или один-два дня в экономичном режиме в климатических условия Ленинградской области.
1.2. Задачи работы
рассмотреть виды альтернативных источников энергии и определить наиболее подходящий вид для обеспечения резервного электроснабжения на дачном участке на случаи отключения света; разработать конструкцию и собрать систему резервного энергоснабжения на случаи отключения света длительностью на один час интенсивного использования или один-два дня в экономичном режиме; протестировать систему резервного энергоснабжения и сделать выводы о возможности использования в климатических условия Ленинградской области.
1.3. Актуальность исследования
Дачный участок, это то место, где человек отдыхает в первую очередь душой, после его напряженных и трудных рабочих будней. И вопрос энергетического обеспечения своего дачного хозяйства – есть вопрос первостепенной важности для любого из нас, кто занимается здесь отдыхом или физическим трудом в своем саду или огороде.
День близится к закату, и вопрос освещения дачи приобретает свою актуальность и выступает на первый план. Когда дачный поселок обеспечен электроэнергией ненадежно – альтернативные источники энергии выступают на первый план.
В первую очередь дачный участок должен быть обеспечен освещением в прямом смысле этого слова, и здесь приходят на помощь светильники на солнечных батареях. Принцип их работы прост. Днем они аккумулируют энергию солнца, а вечером ее отдают – освещая нам дачный участок теплым, мягким освещением.
Более мощные «солнечные» модули, установленные на крыше вашего дачного домика могут стать вам также хорошим подспорьем в экономии ваших дачных энергетических ресурсов, как дополнение к основной системе энергообеспечения – или же основным, альтернативным источником обеспечения дачного хозяйства электроэнергией, когда централизованная электросеть к вашему садовому сообществу не подведена.
Поэтому, если иметь в арсенале дачного участка светильники на солнечных батареях для его освещения, а также на крыше дачного домика солнечные батареи – то вы существенно сможете снизить финансовые затраты на энергообеспечение своего дачного хозяйства.
2. Альтернативные источники энергии
На Земле находятся достаточно большие залежи источников энергии. Человек - добывает их, но запасы эти не безграничны. Запасы топлива постепенно истощаются. Очевидно, что однажды залежи природного газа, угля и сырой нефти могут закончиться совсем.
Поэтому уже сегодня ученые работают над тем, чтобы найти новые источники энергии. Энергия, которую они вырабатывают, позволяет экономить запасы природного сырья. Поэтому они и называются альтернативными источниками энергии.
В настоящее время ведется постоянный поиск новых источников энергии, потому что потребление энергии постоянно возрастает.[1]
2.1. Виды альтернативных источников энергии
Энергия воды
Гидроэнергетика — область хозяйственно-экономической деятельности человека, совокупность больших естественных и искусственных подсистем, служащих для преобразования энергии водного потока в электрическую энергию.
Преимущества:
- экологичность простота в обслуживании и эксплуатации неисчерпаемость источника воду в искусственных водохранилищах можно использовать и для других нужд
Недостатки:
- высокая стоимость опасность для рыб опасность затапливания строить можно только в определенных местах, часто далеко от потребителя
Энергия ветра
Ветроэнергетика - преобразование кинетической энергии воздушных масс в удобные для использования формы энергии (электрическую, механическую, тепловую и т. д.)
Преимущества:
- экологичность неисчерпаемость источника ветровые электростанции занимают немного места и не мешают другим видам хозяйственной деятельности
Недостатки:
- непостоянство источника относительно низкий КПД высокая стоимость опасность для птиц шум станций может причинять беспокойство людям и животным
Энергия солнца
Гелиоэнергетика - использование солнечного излучения для получения энергии
Преимущества:
- экологичность неисчерпаемость источника
Недостатки:
- Солнечные электростанции требуют очень больших площадей зависимость от широты и климата высокая стоимость относительно низкий КПД необходимость установки систем охлаждения
Энергия из отходов
Биотопливо - топливо, получаемое из биологического сырья: сои, кукурузы, сахарного тростника, рапса и многих других растений
Преимущества:
- Многообразие и общедоступность сырья утилизация сельскохозяйственных отходов
Недостатки:
- возможное сокращение посевных площадей под продовольственными культурами (в пользу выращивания сырья для биотоплива)
Энергия тепла земли
Геотермальная энергетика — направление энергетики, основанное на производстве тепловой и электрической энергии за счёт энергии, содержащейся в недрах земли, на геотермальныхстанциях.
Преимущества:
- Запасы велики, хотя и не бесконечны. не требует поставок топлива из внешних источников экологичность может применяться для опреснения воды
Недостатки:
- трудно Найти подходящее место для строительства риск остановки в результате естественных изменений в земной коре риск выделения горючих или токсичных газов или минералов
2.2. Солнечная энергия
Солнце - самый мощный источник тепла на Земле, вот почему по ночам холоднее, чем днем. Без солнечного тепла наша планета покрылась бы коркой льда. Тепло и свет от Солнца почти полностью удовлетворяют потребности нашей планеты в энергии. Каждые 40 минут от Солнца на поверхность Земли поступает столько энергии, сколько все жители Земли используют за год.
Солнечная энергия накапливается в растениях и животных. И ее можно использовать по-разному. Например, деревья могут служить дровами. Когда мы сжигаем уголь, нефть или природный газ, высвобождается энергия, которую полезные ископаемые накопили миллионы лет назад благодаря Солнцу.[2]
Солнечная энергетика использует неисчерпаемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов. Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии.
2.3. Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения
Гелиотермальная энергетика — нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи, и последующее распределение и использование тепла. Преобразование солнечной энергии в электричество осуществляется с помощью тепловых машин. Это паровые машины (поршневые или турбинные), использующие водяной пар или различные газы. Термовоздушные электростанции - преобразование солнечной энергии в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор. Солнечные аэростатные электростанции - генерация водяного пара внутри баллона аэростата за счет нагрева солнечным излучением поверхности аэростата, покрытой поглощающим покрытием. Фотовольтаика — метод выработки электрической энергии путем использования светочувствительных элементов для преобразования солнечной энергии в электричество.3. Солнечная зарядная станция
3.1 Солнечная батарея
Ученые давно обнаружили, что некоторые вещества вырабатывают электричество, если на них попадает свет. Пластины из такого вещества называются фотоэлементами. Если несколько фотоэлементов соединить между собой получиться солнечная батарея.
С помощью солнечных батарей можно получать электричество, не сжигая уголь и нефть, жаль пока они не очень мощные, чтобы снабдить электричеством целый город, требуются электростанции с огромными полями солнечных батарей и строить их лучше там, где солнце светит ярко и долго, как в пустыне. Кстати, в космосе солнце светит очень ярко и облака ему не мешают, поэтому солнечные батареи используют на всех космических аппаратах. В том числе на международной космической станции, где работают космонавты из разных стран мира. [3]
3.2 Как работают солнечные батареи?
Солнечная батарея состоит из множества солнечных элементов, в каждом из которых энергия света непосредственно превращается в электрическую энергию. Это совсем несложно, только для изготовления солнечного элемента нужно найти вещество с подходящими свойствами.
Свет - это поток частиц под названием фотоны. Фотоны, столкнувшись с каким-либо веществом, могут поглотиться молекулами или атомами этого вещества.
Видел ли ты когда-нибудь, как художники рисуют Робина Бобина? (Это тот самый, который "скушал сорок человек, и корову, и быка, и кривого мясника".) Они рисуют его очень толстым. И чем больше он съедает, тем больше толстеет. Нечто похожее происходит и с атомами. Когда атом поглощает фотон, то он "толстеет", становится больше. Как же атом может растолстеть? Ведь он совсем не похож на мешок. Вот живот у Робина Бобина - похож, потому и раздувается. Атом состоит из ядра и электронов, которые движутся вокруг ядра. Ядро как бы окутано электронным "облачком". Так вот, когда атом поглощает фотон, это электронное облачко и раздувается. (Электроны начинают двигаться на большем расстоянии от ядра.) Так "толстеет" атом. Чем больше энергия у фотона, который он проглотил, тем больше он "растолстеет". И вполне возможно, что атом настолько увеличится в размере, что может некоторые свои электроны совсем потерять, как Робин Бобин пуговицы на жилете, когда он проглотил "церковь, дом и кузницу с кузнецом": жилет лопнул и пуговицы отскочили.
Вот на этом свойстве и основано действие солнечной батареи. Нужно подобрать такое вещество, чтобы его атомы, поглощая фотоны солнечного света, сильно "толстели" и теряли бы свои электроны. Тогда электроны становились бы свободными. А свободные электроны - это и есть возможность создать электрический ток.
Таких веществ немало. Одно из самых распространённых - кремний, который входит в состав обыкновенного речного песка. Кремний и можно использовать для создания элементов солнечных батарей. На свету в солнечных элементах накапливаются свободные электроны, которые отскакивают от "растолстевших" атомов. Если эти элементы соединить проводочками с тем местом, где электронов мало, то накопившиеся электроны потекут туда, как вода под уклон. Вот и появится электрический ток.
Солнечные батареи выглядят как плоские панели. Хороши они тем, что просты, надёжны и долговечны. Ведь в них нет никаких трущихся и движущихся частей, которые могут испортиться от трения или сломаться. Они могут быть очень маленькими, если нужно мало энергии (например, для калькулятора). А самое главное - они не загрязняют окружающую среду. При работе солнечной электростанции нет совершенно никакой грязи: нет дыма и копоти, как от тепловой электростанции, нет радиоактивных отходов, как от электростанции атомной. Одно только плохо: она не работает в пасмурный день и ей нужны большие свободные поверхности для размещения солнечных элементов. Поэтому с таким удовольствием используют солнечные батареи в космосе: туч и облаков там нет, а свободного места сколько угодно. Солнечные батареи - главные источники энергии для околоземных спутников и космических станций.[5]
3.3 Конструкция солнечной электростанции
Конструкция солнечной электростанции состоит из солнечных панелей, контроллера, аккумуляторов и инвертора.
Аккумулятором (прил.1) называют устройство, предназначенное для накопления энергии с целью ее последующего использования (от латинского accumulator — собиратель, накопитель). Аккумуляторы бывают электрические, гидравлические, тепловые и инерционные.
Самые распространенные аккумуляторы — электрические. Они служат для накопления электрической энергии и состоят из положительного электрода — анода, отрицательного электрода — катода и электролита (щелочь или кислота), в который погружены электроды.
Если в электролите находятся 2 электрода из одинакового металла, такой аккумулятор источником тока не будет. Электроды должны быть химически различные, т. е. из разных металлов. Но между одинаковыми электродами тоже можно создать химическое различие действием электрического тока. Так работает, например, свинцовый аккумулятор. Его используют на мотоциклах и автомобилях, тракторах и самолетах, в цехах завода и школьной физической лаборатории.
Каждый аккумулятор характеризуется емкостью, выражаемой значением заряда, который может дать заряженный аккумулятор при разряде. Емкость аккумулятора измеряется в ампер-часах. Ампер-час (А • ч) — это электрический заряд, доставляемый током в 1 А в течение 1 ч.
Инвертор (прил.1) (от латинского inverto - переворачивать, переставлять, превращать), в электроэнергетике - электронное устройство, предназначенное для преобразования постоянного напряжения (тока) в переменное напряжение (ток); выполняется на полупроводниковых или (реже) газоразрядных приборах, обладающих свойствами вентиля электрического, т. е. способных работать в ключевом режиме.
Контроллер заряда аккумулятора (прил.1) — электронная схема в составе зарядного устройства, предназначенная для управления процессом заряда аккумулятора.
4. Экспериментальная часть
4.1 Монтаж солнечной электростанции
Для тестируемой модели солнечной зарядной станции использовалось:
Солнечная панель 100 Ватт 20В. Выбрана поликристаллическая панель т. к они лучше улавливают рассеянный солнечный свет. аккумуляторы гелиевые 12В 20Ач, 5шт подключенные параллельно инвертор мощностью 2200Вт, входное напряжение 12В, выходное напряжение 220В контроллер заряда солнечных панелей 10А Ваттметр 130АПред установкой солнечной панели удлинили провод, использовали ПВС (Провод с изоляцией оболочки и самих проводников из полиВинилхлорида, Соединительный) сечение (толщина провода) 1,5 мм. С помощью металлических уголков, кровельных саморезов установили солнечную панель на крыше. Провода с панели мы пропустили внутрь гаража, и подключили к контроллеру заряда.
Для сборки гелево-свинцовых аккумуляторов в одну батарею использовали провод диаметром 6 мм, который опрессовали медными разъемами и соединили аккумуляторы винтами. Аккумулятор подключили к контролеру, а инвертор к аккумулятору. (прилож.1)
Ваттметр подключили к аккумулятору, чтобы оценить сколько энергии поступает в аккумулятор от солнечной панели через контроллер заряда.
4.2 Тестирование
Тестирование Солнечных батарей проводилось в зимний период. В этом году зима более снежная, чем обычно. Снег первая проблема, с которой мы столкнулись. Установка солнечной панели производилась до начала снегопадов и не был учтен этот фактор. Поэтому приходилось каждый раз подниматься и очищать панель от снега.
Но выпавший снег является помехой лишь тогда, когда накапливается на самих панелях. В других же случаях, это скорее плюс, чем минус, ведь он обладает высокой отражающей способностью, так что количество рассеянного излучения повышается, а поликристаллические батареи отлично воспринимают не только прямой свет, но и рассеянный.
Что и было подтверждено тестами, показания приборов таб. 1.
Таблица 1.
Состояние солнечной панели в зависимости от погодных условий | Ток, А |
Полное отсутствие снега | 0,17 |
На панели тонкий слой снега менее 0,5 см | 0,21 |
Слой снега более 5 см | 0 |
Очищенная панель от снега (вокруг панели снег) | 0,18 |
Показания ваттметра представлены на фотографиях (приложение 2).
Вторая проблема заключается в том, что производительность панелей зависит от количества солнечной энергии, но так как зимой дни становятся все короче и короче, то встает вопрос: насколько эффективно они работают в этот период времени.
Как показывает практика и проводимые исследования, производительность солнечных систем с сокращением светового дня снижается.
5. Заключение
Выводы
Устанавливать солнечные панели на дачном участке в зимний период необходимо вертикальным образом либо на стене здания, либо на отдельной раме-стойке, так как нет возможности очищать снег ежедневно. Желательно, чтобы пространство хорошо продувалось ветром, тогда снег вообще не будет накапливаться на поверхности. Для увеличения эффективности работы солнечных батарей особенно в летний период целесообразно место установки покрыть хорошо отражающим свет материалом. В пасмурные или туманные дни солнечная панель работает значительно ниже своей пиковой мощности. Тоже самое происходит когда солнце находится низко в небе, например рано утром или поздно днем. В это время света просто не достаточно, поэтому для повышения уровня освещенности можно использовать несколько зеркал. Направив отражение солнца на солнечные панели, можно увеличить мощность солнечной батареи. Мощность панели солнечных батарей может быть увеличена с помощью концентратора света, например такого как линза Френеля. Следует отметить, что такая линза должна быть существенно больше, чем сама панель. Кроме того, концентраторы не могут иметь практическое значение для большого массива, к тому же к такой линзе необходимо приделать механизм ориентации на солнце. Как и в случае с зеркалом при этом способе выходная мощность может быть увеличена, однако необходимо соблюдать осторожность, чтобы не допустить перегрева панели. Зимой мощность, выдаваемая панелями, составила порядка 20% от номинальной, по расчетным данным. Таким образом наша зарядная станция, имеющая 100 Вт солнечную батарею, способна генерировать только 20Вт и заряжает аккумулятор зимой за 40 дней при условии очистки ее от снега. Летом же зарядка произойдет за 5 дней, что достаточно для ее назначения как резервная система снабжения электричеством.Характеристика перспектив дальнейшей работы над проблемой
По данным New Energy Finance, в 60 странах с низким достатком активно переключаются на энергию солнца, ведь её использование дешевле, чем привычных источников энергии. Немного ниже стоимость мегаватта солнечной энергии даже в сравнении с энергией ветра. Таким образом, тренд на использование солнечных панелей в будущем будут активно развивать.
В связи с тем, что цены на солнечную энергию в мире упали на треть, она начинает качественно конкурировать с углём и газом, говорится в докладе New Energy Finance. Специалисты отмечают, что проекты по добыче солнечной энергии даже без государственных дотаций стоят дешевле ветряков. Впрочем, в некоторых странах инвестиции в развитие энергии светила выглядят весьма существенно: например, Китай инвестировал в такие проекты 103 миллиарда долларов, США — 44,1 миллиарда, Великобритания — 22,2 миллиарда.
В России пока доля зелёной энергетики не превышает одного процента. Однако солнечные перспективы в стране достаточно велики. Например, на Алтае с 2014 года успешно работает Кош-Агачская солнечная электростанция мощностью 5 МВт. В своё время это был крупнейший подобный российский объект. Солнечная энергия может хорошо себя показать в одном из самых солнечных регионов страны — Якутии.
Тем временем, несмотря на то, что Северная столица не балует горожан обилием солнечных дней, в Петербурге построят первый дом с нулевым энергопотреблением. Его не станут подключать к электросетям, а источниками энергии станут солнечные батареи и ветряки. Займётся возведением дома скандинавский строительный концерн NCC. Сдать экспериментальный дом намерены в 2022 году. Об этом сообщили в пресс-службе администрации района.
Кроме того, студенты Политеха строят быстрый автомобиль на солнечных батареях, который, хочется верить, победит в крупнейшем чемпионате солнцемобилей в Австралии в 2017 году.
Список литературы
1. Детская онлайн энциклопедия "Потому. ру"
2. Д. Пайп, П. Робсон "Планета Земля. Детская энциклопедия 7+" 2008г.
3. Мультфильм Фиксики. Солнечная батарея
4. http://de-ussr. ru/ Детская энциклопедия (легендарное первое издание)
5. http://crazymama. ru/ Энциклопедия почемучек
Приложение 1
Приложение 2
Показания ваттметра:
1. Полное отсутствие снега: ток 0,17 А
2. На панели тонкий слой снега менее 0,5 см: 0,21А
3. Слой снега более 5 см: ток 0А
4. Очищенная панель от снега (вокруг панели снег): ток 0,18 А
