Личный кабинет

Использование солнечной энергии для сбережения природных ресурсов


В данной научной работе учащегося представлено исследование возможности применения альтернативных источников энергии для сокращения потребления природных ресурсов и уменьшения выбросов в окружающую среду

Муниципальное автономное образовательное учреждение

Лицей № 36

Автозаводского района г.Н.Новгорода

 

Научное общество учащихся

 

 

 

 

 

 

 

Использование солнечной энергии для сбережения

природных ресурсов

 

 

Выполнил: Усманов Руслан,

ученик 6Б класса

Научный руководитель:

Кокина С. И.,

учитель биологии

высшей категории

 

 

 

 

 

 

Н.Новгород

2016 год

Оглавление

Оглавление. 2

  1. Введение. 3

Целью данной работы является доказательство возможности применения альтернативных источников энергии для сокращения потребления природных ресурсов и уменьшения выбросов в окружающую среду. 4

В рамках доказательства произвести опыт  практической реализация применение солнечной энергии в быту на примере использования миниатюрной модели солнечной печи для нагрева пищи. 4

  1. История создания фотоэлектрических элементов и области применения солнечной энергии. 6
  2. Солнечная батарея. 6

Кремниевые солнечные батареи. 7

Монокристаллические солнечные батареи. 8

Поликристаллические солнечные панели. 8

Аморфные солнечные панели или батареи из аморфного кремния. 8

Как работают солнечные батареи?. 9

Плюсы и минусы использования солнечных батарей. 10

Стоимость оборудования и установки данных систем.. 10

  1. Солнечная печь. 10
  2. Солнечный водонагреватель. 11
  3. Практические примеры применения солнечной энергии в современной жизни. 13

Первая в России заправка электромобилей от солнечной энергии в Санкт-Петербурге. 15

  1. Опытно-экспериментальная часть. 16
  2. Расчетная часть. 18
  3. Вывод. 20

Так как целью данной работы являлось доказательство возможности применения альтернативных источников энергии для сокращения потребления природных ресурсов и уменьшения выбросов в окружающую среду, на основе расчетов мы убедились,  что применение альтернативной энергии позволит сэкономить  например 135,2 кг угля  в год для каждой семьи, а так же сократит выбросы углекислого газа в окружающую среду. 20

  1. Список использованной литературы.. 21
  2. Приложение. 22

 

 

 

1.                Введение

         Солнце — основа жизни на Земле и основной источник энергии для ее жителей. Человечество пока что не научилось эффективно использовать энергию Солнца напрямую. Но некоторый прогресс в этом уже наблюдается.

         Важно осознать необходимость, что источники, которое использует наше общество, ограничены и не возобновляются. К тому же они таят в себе угрозу: например, выбросы нефти и газа могут привести к техногенным и другим катаклизмам. В связи с этим очень важно уже сейчас начать использовать чистые виды энергетики, которые позволяли бы улучшить качество экологии, повысить уровень жизни в городах.

         На природных ресурсах как нефть и газ долго цивилизация не проживет и следовательно надо переходить на другие источники энергии, такие как солнце, геотермальные источники, ветер и вода.

         Впрочем,  нужно помнить , что существует и другая сторона медали: развитие новых видов энергии – очень капиталоемкое и дорогостоящее мероприятие.

         Не менее актуален и ответ на вопрос: все ли так хорошо в использовании альтернативных видов энергии, и может ли это таить в себе что-то плохое? Многие жители, где расположены ветростанции, жалуются на шум, которые издают ветряки. И массы перелетных птиц погибают пролетая в таких регионах. А солнечная энергия очень вредна для тех, что работает на этих станциях, так как очень высока степень излучения ультрафиолета и возможны ожоги, да и солнце светит не все время, солнечные батареи могут покрываться снегом в зимнее и пылью и грязью в летнее, снижают свою эффективность в пасмурную погоду, могут затеняться высокими деревьями. Поэтому нужно изучать этот вопрос всесторонне. 1*

В данный момент наиболее сильно развито непосредственное использование солнечной энергии основанное на применении солнечных батарей, панелей и коллекторов. Например если правильно установить солнечные батареи на крыше собственного дома, они, по самым скромным подсчётам, лет 20 способны давать вам свет, тепло и горячую воду.

         Одним из лидеров применения новых источников может являться Германия, уже сегодня в  стране, энергия от солнечных элементов, перекрывает  50% всех нужд. Солнечные элементы – будущее всей существующей энергетической отрасли.

         Несколько лет назад, фотоэлементы применялись только в космическом пространстве, в частности для обеспечения электричеством спутников и других космических аппаратов. Но сейчас дела обстоят абсолютно по-другому. Солнечные элементы устанавливаются на крыши автомобилей, домов, воздушных и водных судах, применяются в часах и солнцезащитных очках и других предметах, окружающих нас в повседневной жизни.

         КПД нынешний солнечных элементов не бьет рекордов, и лежит в пределах 12 до 18 %, самые современные разработки обладают 40% КПД.

         Сегодня вряд ли стоит кого-то убеждать, что солнечная энергетика – одно из наиболее перспективных направлений развития возобновляемых источников энергии. По оценкам некоторых специалистов, к 2100 году солнце станет доминирующим источником энергии на планете, а аналитики Международного энергетического агентства (МЭА) прогнозируют, что уже к 2050 году солнечная энергетика будет обеспечивать 20–25% мировых потребностей в электроэнергии. Во многих странах солнечная энергетика получила активную государственную поддержку и стремительно развивается. Так, страны ЕС планируют, что к 2020 году доля использования возобновляемых источников энергии в европейском энергобалансе составит 20%.

         Целью данной работы является доказательство возможности применения альтернативных источников энергии для сокращения потребления природных ресурсов и уменьшения выбросов в окружающую среду.

         В рамках доказательства произвести опыт  практической реализация применение солнечной энергии в быту на примере использования миниатюрной модели солнечной печи для нагрева пищи.

В связи с этим определены основные задачи исследования:

  1. Изучить возможные варианты использования альтернативных источников на примере солнечной энергии. Ознакомиться с историю развития и вариантами применения.
  2. Опытным путем доказать возможность применения солнечной энергии для приготовления пищи.
  3. Рассчитать объем потребляемых природных ресурсов и выбросов углекислого газа для среднестатистической семьи из четырех членов при ежедневном применении бытовых приборов.
  4. Внести предложения для более скорейшего развития технологий применения солнечной энергии, которая неизменно положительно скажется на улучшению состояния окружающей среды.

 

Объектом исследования явились книги по истории развития и создания источников использования солнечной энергии, статьи российских и иностранных разработчиков и научных сотрудников, интернет-страницы, различные издания экологического характера.

 

Предметом исследования является солнечная энергия, которая применяется как альтернативный источник тепла.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.                История создания фотоэлектрических элементов и области применения солнечной энергии.

Впервые фотогальванический эффект наблюдал в 1839 году французский физик Антуан Анри Беккерель, однако первый прототип солнечной батареи сделал в 1883 году американский изобретатель Чарльз Фриттс. Устройство первой солнечной батареи представляло из себя полупроводник покрытый сверхтонким слоем золота. Эффективность батареи была около 1%.

         В 1888 году Александр Столетов создал первый в мире фотоэлектрический элемент. А в 1905 году Альберт Эйнштейн в своей работе объяснил явление фотоэлектрического эффекта, за что был удостоен Нобелевской премии по физике в 1921 году. В 1946 году солнечная батарея современного вида была запатентована Расселом Олом (Russell Ohl).

         Современные высокоэффективные солнечные батареи на кристаллическом кремнии были созданы в Лабораториях Белла (Bell Laboratories), инженерами Дэрил Чапин (Daryl Chapin), Кельвином Соулзером Фуллером (Calvin Souther Fuller) и Геральдом Пирсоном (Gerald Pearson) в 1954 году. С тех пор солнечная батарея начала свое победное шествие по миру.

         Необходимо помнить о главном  из недостатков кремния, который является основой солнечной батареи, это его зеркальность, то есть этот элемент отражает часть солнечной энергии, которая расходуется впустую. Чтобы как можно больше снизить потери такого рода, фотоэлемент окрашивается антибликовым слоем. Ну а чтоб защитить панель от воздействий осадков, ее просто накрывают прозрачными стеклянными панелями.

По по какому же принципу работают такие элементы? Как именно, получается, преобразовать энергию солнца в электрическое напряжение?

Рассмотрим некоторые варианты применения солнечной энергии.

Фотоэлектрические панели

  1. Солнечная батарея— несколько объединённых фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) — полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток, в отличие от солнечных коллекторов, производящих нагрев материала-теплоносителя.

 

    История создания солнечных батарей началась еще в 19 веке, а технология их производства развивалась удивительно быстро. Причиной служили постоянно проводимые исследования в области преобразования солнечной энергии в электрическую. Еще в 1839 году Антуан-Сезар Беккерель представил созданную им химическую батарею, которая под воздействием солнца вырабатывала электричество. Первая солнечная батарея имела КПД всего 1%. То есть только один процент солнечного света был преобразован в электричество. В 1873 году Уиллоуби Смит обнаружил чувствительность селена к свету, а в 1877 году Адамс и Дэй отметили, что селен под воздействием света производит электрический ток. Чарльз Фриттс в 1880 году использовал покрытый золотом селен для производства первого солнечного элемента, который также имел эффективность 1%. Тем не менее, Фриттс считал свои солнечные элементы революционными. Он рассматривал возможность использования бесплатной солнечной энергии как средство диверсификации поставок энергии, предсказывая, что производимые солнечные батареи вскоре заменят существующие электростанции.


С объяснением в 1905 году Альбертом Эйнштейном фотоэффекта появились надежды на создание солнечных батарей с более высоким КПД, но прогресс оказался незначительным. В середине 20 века исследования в области диодов и транзисторов дали необходимые для ученых знания. В 1954 году Гордон Пирсон, Дэррил Чапин и Кэл Фуллер произвели кремниевый солнечный элемент, имеющий КПД 4%. В дальнейшем эффективность ячейки была повышена до 15%. Солнечные батареи были впервые использованы в сельских районах и отдаленных городах в качестве источника питания для системы телефонной связи, где они успешно использовались на протяжении многих лет.

 

Разновидности солнечных панелей

Кремниевые солнечные батареи

Такой тип солнечных панелей отличается в первую очередь своим материалом, который, как можно догадаться из названия, представлен кремнием. Сегодня это самые популярные батареи на рынке. Это связано с тем, что кремний сравнительно легкодоступный материал, он недорогой и при этом обладает хорошими показателями производительности, по сравнению с конкурентными видами солнечных модулей. Производят их не только из кремния, но и в том числе из моно, поликристаллов в также аморфного кремния. В чём разница?

Монокристаллические солнечные батареи

Для производства солнечных батарей монокристаллического типа используют очищенный, самый чистый кремний. Такой вид солнечной панели выглядит как силиконовые соты, или ячейки, которые соединены в одну структуру. После того, как очищенный монокристалл затвердевает, его разделяют на супер тонкие пластины, толщиной до 300 мкм. Такие готовые пластины соединены тонкой сеткой из электродов. В сравнении с аморфными батареями, такие стоят дороже, ведь технология их производства в разы сложнее. При этом такие батареи стоит выбрать хотя бы за их высокий коэффициент полезного действия(КПД). На уровне 20%. Да, для солнечных батарей это хороший показатель.

Поликристаллические солнечные панели

Для того чтобы получить поликристаллы, кремниевую субстанцию медленно охлаждают. Такой подход к технологии производства значительно дешевле чем в предыдущем типе панелей, поэтому и стоит этот вид дешевле. При этом для изготовления требуется меньше энергии, а это ещё раз благотворно действует на цену. Но чем-то же нужно жертвовать? Поэтому у таких батарей КПД ниже — до 18%. Связано такое падение коэффициента с образованиями внутри поликристалла, которые снижают эффективность.

Аморфные солнечные панели или батареи из аморфного кремния

  • Данный вид солнечных батарей можно отнести как к кремниевым (потому что материал изготовления — кремний) так и к плёночным, ведь изготовлены они по принципу производства плёночных батарей. Но всё же отличия есть.
  • Здесь используются не кристаллы кремния, а так называемый силан (кремневодород). Его наносят на подложку, внутри батарей. КПД у такого вида солнечных батарей намного ниже — около 5%. Но всё не так плохо! Есть и преимущества, среди которых можно назвать: намного лучшее поглощение (в 20 раз лучше), лучше работает при отсутствии прямого солнца, когда пасмурно, эластичность панелей.
  • Также бывают сочетания моно и поликристаллических панелей с аморфными.Такое сочетание позволяет соединить преимущества двух различных типов. Например, батареи лучше работают, когда солнца недостаточно для обычных кристаллических батарей.

 

Принцип работы

Рис.1

Все солнечные батареи строятся на базе множества электрических ячеек, устанавливаемых в общий пакет. Материал ячеек это полупроводник, и в основном это кремний.  то время когда солнечное излучение попадает на полупроводниковый элемент, последний повышает свою температуру, впитывая энергию солнца. Поглощенная энергия высвобождает электроны внутри молекул элемента. Под воздействием электрического поля, негативно заряженные частички начинают свой ход, тем самым образуя ток.

Если к верхней и нижней части полупроводника прислонить электрическую цепь, можно осуществить отбор мощности, для питания различных потребителей. Мощность отдаваемой энергии будет характеризоваться интенсивностью тока и напряжением.

 

Сила тока будет зависеть от таких параметров, как:

  • уровень инсоляции;
  • размер фотопреобразователя;
  • тип фотоэлемента;
  • общего сопротивления приборов, подключенных к солнечной батарее.

 

Как работают солнечные батареи?

Фотоэлементы, или как еще их называют полупроводниковые устройства, преобразуют солнечную энергию в постоянный электрический ток. Если соединить определенное количество фотоэлектрических преобразователей, получим солнечную батарею. Даже при небольшой облачности солнечные батареи вырабатывают достаточное количество энергии. Число используемых модулей зависят от расчетного потребления электричества. Продолжительность работы этой системы около 20-25 лет, а окупаются затраты на сооружение солнечных батарей несколько лет.

Плюсы и минусы использования солнечных батарей

Обычные балконы имеют средние габариты, поэтому модули для солнечных батарей должны быть как можно малыми по размеру, чтобы была возможность разместить их на балконе, и должны давать максимальное количество энергии.

В комплект системы для преобразования солнечной энергии входят:

— солнечная батарея,
— инвертор (преобразователь напряжения) высокой мощности,
— аккумулятор,
— система управления модулями.

Человек, имеющий элементарный познания в электрике, без проблем справится со схемой подключения модулей. Панели солнечной батареи устанавливаются снаружи балкона, для них не требуется особый уход и внимание. Но так как аккумуляторы не выдерживают низкие температуры, то важным моментом является утепление балкона. И, естественно, так как солнечные батареи преобразовывают солнечную энергию в электрическую, эту энергию можно использовать не только для освещения балконов, но и для дополнительного обогрева в зимний период.

Стоимость оборудования и установки данных систем

Дешевым такой способ получения электроэнергии назвать сложно потому, что оборудования и работ по монтажу и сборке начинается от 3500 евро. К тому же необходимо переоборудование квартиры энергосберегающими приборами.

В то же время стоит отметить, что всего один метр солнечных батарей на балконе производит до 100 Ватт электроэнергии в час или 18кВт в месяц. В качестве дополнительного источника электроэнергии можно использовать гибкие, пленочные модули, которые можно крепить непосредственно на окна. Рис.6.

 

2.                Солнечная печь

Солнечная печь — устройство для использования энергии солнечного света для приготовления пищи без использования топлива или электроэнергии. Аналогичные по принципу устройства иногда применяются для опреснения непригодной для употребления воды в засушливых регионах.

Устройство

 Простейшая солнечная печь представляет из себя особым образом согнутый картон, покрытый фольгой. Фольга отражает солнечный свет и фокусирует его на обычной чёрной металлической кастрюле. Кастрюля закрыта стеклянной крышкой и завернута в прозрачный пластиковый пакет чтобы уменьшить теплопотери. Существуют и более совершенный вид солнечных печей — с металлическими отражателями и т. д., в том числе большие стационарные солнечные печи для столовых или кафе.

На конкурсе Financial Times дешевых (примерно от 5 до 50 долларов) экологичных бизнес-изобретений «Climate Change Challenge» («Вызов изменению климата») солнечная печь из картона «Киото-бокс» (англ. en:Kyoto box) с теплоизоляцией конструкции норвежского изобретателя Йона Бомера (Jon Bohmer) получила первый приз и 75 тысяч долларов на реализацию изобретения.

Также термин «солнечная печь» применяется для обозначения более сложных гелиоустановок для плавки и термообработки материалов. Такие солнечные печи отличаются высокой стоимостью и применяются в случаях, когда необходимо создать особые («стерильные») условия плавления и термообработки, исключающие внесение примесей в обрабатываемый материал.

Как работает солнечная печь?

Солнечная печь собирает и накапливает тепловые лучи Солнца. Все лучи, попадающие на блестящий коллектор, отражаются внутрь печи  и нагревают её изнутри. Чёрная бумага поглощает тепло, попадающие на неё, что способствует нагреву воздуха внутри печи. Так как коллектор покрывает большое пространство по сравнению с печью, лучи солнца сосредотачиваются в печи. Пища внутри печи нагревается за счёт лучей, попадающих на неё, и за счёт теплого воздуха в печи. Пища поглощает тепло, и начинает готовиться.

3.                Солнечный водонагреватель

Солнечный водонагреватель — разновидность солнечного коллектора. Предназначен для производства горячей воды путём поглощения солнечного излучения, преобразования его в тепло, аккумуляции и передачи потребителю.

История создания

Первый солнечный водонагреватель был создан в 1767 году швейцарским ботаником Орасом Бенедиктом де Соссюром и по своей мощности он позволял приготовить суп.

Современный тип водонагревателей был создан в 1953 году в Израиле инженером Леви Иссаром и усовершенствован доктором Цви Тавором в 1955 году, за что получил спустя 3 года премию в 1000 израильских лир от премьер-министра страны, Давида Бен-Гуриона.

Устройство

Солнечный водонагреватель с вакуумным коллектором, наиболее эффективный, хотя и самый дорогой, состоит из двух основных элементов:

  • наружного блока — солнечных вакуумных коллекторов;
  • внутреннего блока — резервуара-теплообменника.

Наружный блок состоит из вакуумных трубок, с нанесенным с внутренней стороны селективным покрытием в несколько слоев и отражающего слоя. Данное покрытие имеет самое важное значение в работе солнечных коллекторов. Солнечный вакуумный коллектор обеспечивает сбор солнечного излучения в любую погоду, ослабляя зависимость от внешней температуры. Коэффициент поглощения энергии коллекторов достигает 98 %, но из-за потерь, связанных с отражением света стеклянными трубками и их неполной светопроницаемостью, он ниже.

Солнечные коллекторы преобразуют прямые и рассеянные солнечные лучи в тепло. Инфракрасное излучение, которое проходит сквозь облака, также поглощается и преобразуется в тепло.

Резервуар-теплообменник представляет собой систему преобразования, поддержания и сохранения тепла, полученного от энергии солнца, а также и от других источников энергии (например, традиционный отопитель, работающий на электричестве, газе или дизтопливе), которые страхуют систему при недостаточном количестве солнечной энергии. Нагретая вода поступает из теплообменника внутреннего блока в радиаторы системы отопления, а вода из резервуара используется для горячего водоснабжения.

Подогреватель газовый или электрический должен ставиться не параллельно солнечному нагревателю (в этом случае он будет греть холодную воду), а обязательно последовательно, после солнечного нагревателя. Тогда его вклад в нагрев будет минимальным, поскольку он будет только догревать воду, уже нагретую солнцем.

Как это действует?

Солнечный нагреватель подогревает воду, используя энергию Солнца. Солнце поставляет энергию в виде тепла и света. Тепло и свет, поступающие на солнечную панель, поглощаются её чёрной поверхностью. Если вода холоднее панели, тепло переходит в воду, нагревая её. Тёплая вода имеет меньшую плотность по сравнению с холодной, поэтому тёплая вода поднимается вверх по трубке в накопитель воды. Холодная вода вытекает из накопителя на её замену. Циркуляция воды продолжается до тех пор, пока вся вода не станет той же температуры, что и панель. 

 

4.                Практические примеры применения солнечной энергии в современной жизни

 В столице КНДР ввели в эксплуатацию паромы на солнечных батареях

Рис.2. На реке Тэдонган в столице КНДР ввели в эксплуатацию паромы с электродвигателем, который работает на солнечных батареях. Все три судна водоизмещением 45 тонн, способные развивать скорость до 6 узлов (11,1 км/ч), были построены на основе отечественных технологий. Они предназначены для перевозки 50-60 пассажиров на небольшие расстояния. Конструкция судов, не загрязняющих окружающую среду, обеспечивает минимальный уровень шума.

Как сообщил журналистам представитель министерства речного транспорта, паромы будут курсировать в столице между площадью Ким Ир Сена и Монументом идей чучхе в часы пик. Кроме того, добавил он, на них будут организованы туристические поездки для иностранцев, желающих ознакомиться с достопримечательностями Пхеньяна.

Власти КНДР уделяют большое внимание альтернативным источникам энергии. В стране используются солнечные батареи для освещения улиц, парковых зон и жилых домов Пхеньяна, Кэсона, других крупных городов.

Ожидается, что внедрение таких источников энергии позволит строить здания, не подверженные частым перебоям с электричеством. К тому же таким образом можно существенно улучшить экологическую ситуацию, остановив работающие на угле устаревшие котельные, выбрасывающие в атмосферу тонны вредных веществ.

В 2013 году Президиум Верховного народного собрания КНДР одобрил закон, в соответствии с которым планируется увеличить финансирование исследований возобновляемых источников энергии, создать для этого материально- техническую базу, наладить в этом направлении сотрудничество с другими странами. При этом учитывается отсутствие в КНДР месторождений газа и нефти.

Законодатель мировой компьютерной моды, знаменитая фирма Apple купила в Калифорнии большую солнечную ферму. И уже начала торговать солнечной энергией. А планы куда масштабней: компания утверждает, что намерена перевести практически всю свою энергетику на возобновляемые источники.

Европа и США планируют к 2040 году довести долю альтернативной энергии до 40 процентов

В спину Apple дышит интернет-магазин Amazon, который планирует в Техасе построить 253-мегаваттную ветряную электростанцию. А Google уже потребляет 35 процентов энергии от возобновляемых источников. Кроме того, инвестировал значительную сумму в создание одной из крупнейших в мире солнечной электростанции Ivanpah Solar Electric мощностью почти 400 мегаватт.

Почему же сугубо IT-компании обратили взоры на «зеленую» энергию? Задумались об экологии? О том, как снизить выбросы парниковых газов, заменив станции на углеводородах солнечными и ветровыми? Все гораздо прозаичней — деньги! Расходы на электричество чувствительно бьет по карману даже таких гигантов как Apple. Много энергии уходит на питание современных центров обработки данных. Ведь сервера работают семь дней в неделю 24 часа в сутки. Только их охлаждение влетает в большую копейку.

Надо отметить, что рынок очень чутко реагирует на последние тенденции. В разных точках планеты начинается сооружение крупных солнечных ферм. Еще несколько лет назад 50-мегаваттный проект считался супермасштабным, а сейчас уже есть несколько установок, готовых производить сотни мегаватт или больше. Крупнейшая в мире 750-мегаваттная электростанция в Мадхья-Прадеш в Индии вступит в работу уже в будущем году. Словом, нас ждет еще более масштабный бум альтернативной энергетики.

Кстати
На планете остановился рост выбросов углекислого газа. Эту оптимистическую новость сообщила международная организация «Глобальный проект по углероду». Хотя ранее экологи били тревогу: уровень углекислого газа в атмосфере планеты в 2015 году впервые за время наблюдений достиг критической отметки в 400 частей на миллион. И скорей всего, ниже уже не опустится в течение жизни многих поколений.

Но все же лучше держать эту планку, чем продолжать ее поднимать, усугубляя негативный эффект глобального потепления. Остановить рост удалось благодаря снижению его потребления угля в США. Кроме того, свою роль сыграл и Китай. Именно он был главным поставщиком парниковых газов, но с 2012 года, когда потребление угля стало сокращаться, снизились и выбросы углекислого газа. происходит на фоне снижения спроса на американский уголь. Ветер, солнечная энергия и газ продолжают вытеснять уголь в производстве электроэнергии в США и Китае, отмечают ученые.

Первая в России заправка электромобилей от солнечной энергии в Санкт-Петербурге.

Команда студентов Санкт-Петербургского Политехнического Университета Петра Великого намерена построить электромобиль, работающий только от солнечной энергии. Но это пока только замысел. А в качестве первого этапа студенты построили первую в России заправку электромобилей от солнечной энергии. Открытие заправки было приурочено к Международному экологическому фестивалю GREENDAY, проходившему в Санкт-Петербурге 1 октября 2016 года. Рис.3

 

За два месяца был пройден путь от идеи до работающей на солнечной энергии электрозаправки. Рис.4

Есть также и задел на будущее: инвертор уже обладает функцией продажи энергии в сеть. К примеру, днем от солнца продается энергия в сеть, а ночью эта энергия потребляется, пока электромобиль стоит и заряжается. В результате можно остаться в плюсе. Остается только дождаться принятия соответствующего закона, поскольку на данный момент продажа электричества частными лицами не предусмотрена. В любом случае, заправкой можно пользоваться бесплатно на охраняемой парковке.

4.Солнечные батареи на балконе, крыше дома, стенах зданий для отопления и энергоснабжения помещений.

Владельцам частных домой проще, так как обустройство на крыше площади под солнечные батареи это лучший вариант их расположения. Как же быть хозяевам квартир в многоэтажках? Один из вариантов — это устройство солнечных батарей на балконах для выработки энергии для освещения и отопления помещений.

Рис.5

 

 

 

 

3.               Опытно-экспериментальная часть

Предметов исследования данной работы является применения солнечной энергии в бытовых условиях.

Целью данного эксперимента является ответ на вопрос: "Возможно ли добиться существенного нагрева поверхности используя солнечную энергию?"

         Для проведения опыта будем использовать набор "Солнечная Энергия" фирмы Green Science.

         В данном наборе представлена модель миниатюрной печи, работающей на солнечной энергии, ее то мы и планируем использовать в нашем эксперименте.

         Так как в зимний период времени солнечных дней не так много и эксперимент проходит в помещении, будем использовать в качестве источника тепла настольную лампу с обычной лампой накаливания мощностью 60Вт. Лампа будет выполнять роль солнца и нагревать печь.

         Нагревательная печь состоит из следующих элементов:

  1. картонная коробка
  2. серебристые отражающие карточки
  3. листы черного цвета

4.наклейки индикатора тепла 70С0 и 40С0.

  1. фольга пищевая
  2. кусочек шоколада размером 0,5х0,5 см.

Рис.7

Итак, познакомимся с работой печи:

         Солнечная печь собирает и накапливает тепловые лучи Солнца. Все лучи попадающие на блестящий коллектор, отражаются внутрь печи и нагревают ее изнутри. Черная бумага поглощает тепло, попадающее на нее, что способствует нагреву воздуха внутри печи. Так как коллектор покрывает большое пространство по сравнению с печью, лучи солнца сосредотачиваются в печи. Пища внутри печи нагревается за счет лучей, попадающих на нее и за счет теплого воздуха внутри печи. Пища поглощает тепло и начинает готовиться.

         Нагрев печи во времени можно посмотреть в представленной таблице.

Таб1

Результат эксперимента, шоколад расплавился рис

Вывод: Тепловую энергию можно использовать в быту, пища нагрелась до температуры выше 40С0 в течении ..10.минут. При более длительном использовании и благоприятных погодных условиях, даже в такой печи возможно приготовление сырого яйца до готовности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.               Расчетная часть

         Использования природных ресурсов негативно сказывается на экологии окружающей среды и наносит природе непоправимый ущерб.

         Дома, вместе с родителями я составил «Энергетический паспорт своей квартиры». Результаты занесен в таблицу. С помощью вычислений (Энергия = мощность × время работы) была определена расходуемая энергия. Посчитано количество электроэнергии, израсходованной в среднем каждым членом семьи в сутки, за неделю, месяц, год. Посчитано, сколько стоит в рублях эта электроэнергия.

Таб.3.

ВЫВОД: в среднем семья из четырех человек расходует в сутки 12,0 кВтч электроэнергии, соответственно на одного члена семьи приходится 3 кВтч электроэнергии в сутки.

Рис.5


Расчитаем среднее количество электроэнергии, израсходованное одним человеком в сутки, неделю, месяц, год и подсчитали сколько стоит в рублях эта электроэнергия. Полученные данные занесем в таблицу.

Таб.4.


Далее рассчитали, сколько угля, нефти, газа нужно сжечь для получения этого количества электрической энергии и сколько углекислого газа выделится при этом.

Таб.5


Для определения массы израсходованного топлива и объема, выделившегося при этом углекислого газа мы использовали следующие выражения:

Для нефти и угля: Масса топлива = энергия / удельная теплота сгорания
Объем углекислого газа = масса топлива х удельное количество углекислого газа

Для природного газа: Объем топлива = энергия / удельная теплота сгорания
Объем углекислого газа = объем топлива х удельное количество углекислого газа

Полученные данные занесли в таблицу:

Таб.6


Также по этим формулам вычислили количество углекислого газа, который выделяется при сгорании топлива. Результаты в таблице:

Таб.7

Рис. 6

ВЫВОД: В результате вычислений, мы увидели, что больше всего углекислого газа выделяется при сгорании угля, поэтому оно приносит больший вред окружающей среде, а меньше всего выделяется углекислого газа при сгорании природного газа, то есть природный газ более экологически чистое топливо!

При применении же солнечных батарей выбросов в атмосферу и потребление природных энергоносителей не требуется, если только в целях альтернативной системы при аварийных ситуациях, но это мы не рассматриваем.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.               Вывод

Так как целью данной работы являлось доказательство возможности применения альтернативных источников энергии для сокращения потребления природных ресурсов и уменьшения выбросов в окружающую среду, на основе расчетов мы убедились,  что применение альтернативной энергии позволит сэкономить  например 135,2 кг угля  в год для каждой семьи, а так же сократит выбросы углекислого газа в окружающую среду.

 

Учитывая, что в количество людей в Нижнем Новгороде 1 267 760 человек 5* , принимая , что в средней семье 4 члена семьи получим 316 940 семей.

 

Итого экономия например угля для Нижнего Новгорода составит

316940х135,2=42850288кг (42 850 тн), а это уже серьезная цифра.

 

Для более активного применения альтернативных источников энергии требуется участие государства. Если бы государство взяло на себя часть финансовых расходов, изменило законодательство и позволило частным лицам продавать полученную энергию (так как при применении солнечных батарей возникают излишки ), я думаю это бы позволило сделать огромный шаг по сохранению окружающей среды и снижению выбросов в атмосферу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.                Список использованной литературы

  1. «Зеленая» модель для- энергии будущего Экология и жизнь 01.11.2011 Татьяна БРАУН
  2. http://www.ecolife.ru/infos/agentstvo-ekoinnovatsijj/3680/
  3. сайт лаб37, Двигатель прогресса, 2016 г  http://lab-37.com/technologies/kak-rabotayut-solnechnye-batarei/
  4. Данные количества жителей города взяты из федеральной службы государственной статистики. Официальный сайт службы Росстата gks.ru . Так же данные были взяты с единой межведомственной информационно-статистисеской системы, официальный сайт ЕМИСС www.fedstat.ru .
  5. Источник ТАСС11.16 1*
  6. Источник «Российская газета»12.2016 1* Впервые альтернативная энергия опередила уголь
  7. Источник: https://geektimes.ru/post/281246/
  8. В исследовании Германовича В. и Турилина А. Альтернативные источники энергии и энергосбережение. Практические конструкции по использованию энергии ветра, солнца, воды, земли, биомассы. — СПб: Наука и Техника
  9. 20 конструкций с солнечными элементами

Байерс Т.
Перевод с английского. – Москва: Мир, 1988. – 197 с. с иллюстрациями.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.               Приложение

Рис.1

Рис.2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.3

Рис.4

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.5

 

Рис.6.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис 7

 

 

Рис.8

 

 

 

 

 

Рис 9

Таб.1

Наименование

Время

время, мин

0

5

10

состояние

твердое

мягкое

жидкое

Таб.2

Наименование

Кол-во штук

Суммарная мощность, кВт

Время работы за сутки

Электроэнергия израсходованная за сутки кВт/ч

2

1

Электрические лампы

10

0,08

3

2,4

2

Холодильник

1

0,3

4

1,2

3

Микроволновые печи

1

1,5

1

1,5

4

Духовой шкаф

1

1,25

1

1,25

5

Стриральная машина

1

4

0,25

1

6

Телевизор

2

0,25

4

1

7

Компьютер

1

0,4

6

2,4

8

Принтер

1

0,35

0,5

0,175

9

Утюг

1

1,25

0,25

0,3125

10

Фен

1

1

0,3

0,3

12

Электрический чайник

1

2,5

0,3

0,75

Общее количество энергии

12,88

12,2875

Таб.3

Наименование

Электроэнергия израсходованная за сутки кВт/ч

Электроэнергия израсходованная за сутки  %

Приготовление пищи

3,5

29

Хранение пищи

1,2

10

Развлечение

3,4

28

Стирка

1,3125

11

освещение

2,4

20

другое

0,475

4

 

12,2875

102

 

Таб.4

Наименование

Расход на 1го человека

сутки

неделя

месяц

год

Кол-во эл.энергии, кВт/ч

3

21

90

1095

Стоимость эл.энергии в руб

12

84

360

4380

 

Таб.5

Наименование вида топлива

Удельная теплота сгорания, к Втч/кг, кВтч/м3(для газа)

Удельное количество угл газа, м3/кг, м3/м3(для газа)

1

Уголь

8,1

1,7

2

Нефть

12,8

1,5

3

Природный газ

11,4

1,2

 

 

 

 

 

Таб.6

 

 

Таб7

Наименование

Количество выбросов углекислого газа, м3

день

неделя

месяц

год

Уголь

0,65

4,4

18,9

229,9

Нефть

0,3

2,5

10,6

128,4

Природный газ

0,36

2,3

9,5

115,2

 

 

Муниципальное автономное образовательное учреждение

Лицей № 36

Автозаводского района г.Н.Новгорода

 

Научное общество учащихся

 

 

 

 

 

 

 

Использование солнечной энергии для сбережения

природных ресурсов

 

 

Выполнил: Усманов Руслан,

ученик 6Б класса

Научный руководитель:

Кокина С. И.,

учитель биологии

высшей категории

 

 

 

 

 

 

Н.Новгород

2016 год

Оглавление

Оглавление. 2

  1. Введение. 3

Целью данной работы является доказательство возможности применения альтернативных источников энергии для сокращения потребления природных ресурсов и уменьшения выбросов в окружающую среду. 4

В рамках доказательства произвести опыт  практической реализация применение солнечной энергии в быту на примере использования миниатюрной модели солнечной печи для нагрева пищи. 4

  1. История создания фотоэлектрических элементов и области применения солнечной энергии. 6
  2. Солнечная батарея. 6

Кремниевые солнечные батареи. 7

Монокристаллические солнечные батареи. 8

Поликристаллические солнечные панели. 8

Аморфные солнечные панели или батареи из аморфного кремния. 8

Как работают солнечные батареи?. 9

Плюсы и минусы использования солнечных батарей. 10

Стоимость оборудования и установки данных систем.. 10

  1. Солнечная печь. 10
  2. Солнечный водонагреватель. 11
  3. Практические примеры применения солнечной энергии в современной жизни. 13

Первая в России заправка электромобилей от солнечной энергии в Санкт-Петербурге. 15

  1. Опытно-экспериментальная часть. 16
  2. Расчетная часть. 18
  3. Вывод. 20

Так как целью данной работы являлось доказательство возможности применения альтернативных источников энергии для сокращения потребления природных ресурсов и уменьшения выбросов в окружающую среду, на основе расчетов мы убедились,  что применение альтернативной энергии позволит сэкономить  например 135,2 кг угля  в год для каждой семьи, а так же сократит выбросы углекислого газа в окружающую среду. 20

  1. Список использованной литературы.. 21
  2. Приложение. 22

 

 

 

1.                Введение

         Солнце — основа жизни на Земле и основной источник энергии для ее жителей. Человечество пока что не научилось эффективно использовать энергию Солнца напрямую. Но некоторый прогресс в этом уже наблюдается.

         Важно осознать необходимость, что источники, которое использует наше общество, ограничены и не возобновляются. К тому же они таят в себе угрозу: например, выбросы нефти и газа могут привести к техногенным и другим катаклизмам. В связи с этим очень важно уже сейчас начать использовать чистые виды энергетики, которые позволяли бы улучшить качество экологии, повысить уровень жизни в городах.

         На природных ресурсах как нефть и газ долго цивилизация не проживет и следовательно надо переходить на другие источники энергии, такие как солнце, геотермальные источники, ветер и вода.

         Впрочем,  нужно помнить , что существует и другая сторона медали: развитие новых видов энергии – очень капиталоемкое и дорогостоящее мероприятие.

         Не менее актуален и ответ на вопрос: все ли так хорошо в использовании альтернативных видов энергии, и может ли это таить в себе что-то плохое? Многие жители, где расположены ветростанции, жалуются на шум, которые издают ветряки. И массы перелетных птиц погибают пролетая в таких регионах. А солнечная энергия очень вредна для тех, что работает на этих станциях, так как очень высока степень излучения ультрафиолета и возможны ожоги, да и солнце светит не все время, солнечные батареи могут покрываться снегом в зимнее и пылью и грязью в летнее, снижают свою эффективность в пасмурную погоду, могут затеняться высокими деревьями. Поэтому нужно изучать этот вопрос всесторонне. 1*

В данный момент наиболее сильно развито непосредственное использование солнечной энергии основанное на применении солнечных батарей, панелей и коллекторов. Например если правильно установить солнечные батареи на крыше собственного дома, они, по самым скромным подсчётам, лет 20 способны давать вам свет, тепло и горячую воду.

         Одним из лидеров применения новых источников может являться Германия, уже сегодня в  стране, энергия от солнечных элементов, перекрывает  50% всех нужд. Солнечные элементы – будущее всей существующей энергетической отрасли.

         Несколько лет назад, фотоэлементы применялись только в космическом пространстве, в частности для обеспечения электричеством спутников и других космических аппаратов. Но сейчас дела обстоят абсолютно по-другому. Солнечные элементы устанавливаются на крыши автомобилей, домов, воздушных и водных судах, применяются в часах и солнцезащитных очках и других предметах, окружающих нас в повседневной жизни.

         КПД нынешний солнечных элементов не бьет рекордов, и лежит в пределах 12 до 18 %, самые современные разработки обладают 40% КПД.

         Сегодня вряд ли стоит кого-то убеждать, что солнечная энергетика – одно из наиболее перспективных направлений развития возобновляемых источников энергии. По оценкам некоторых специалистов, к 2100 году солнце станет доминирующим источником энергии на планете, а аналитики Международного энергетического агентства (МЭА) прогнозируют, что уже к 2050 году солнечная энергетика будет обеспечивать 20–25% мировых потребностей в электроэнергии. Во многих странах солнечная энергетика получила активную государственную поддержку и стремительно развивается. Так, страны ЕС планируют, что к 2020 году доля использования возобновляемых источников энергии в европейском энергобалансе составит 20%.

         Целью данной работы является доказательство возможности применения альтернативных источников энергии для сокращения потребления природных ресурсов и уменьшения выбросов в окружающую среду.

         В рамках доказательства произвести опыт  практической реализация применение солнечной энергии в быту на примере использования миниатюрной модели солнечной печи для нагрева пищи.

В связи с этим определены основные задачи исследования:

  1. Изучить возможные варианты использования альтернативных источников на примере солнечной энергии. Ознакомиться с историю развития и вариантами применения.
  2. Опытным путем доказать возможность применения солнечной энергии для приготовления пищи.
  3. Рассчитать объем потребляемых природных ресурсов и выбросов углекислого газа для среднестатистической семьи из четырех членов при ежедневном применении бытовых приборов.
  4. Внести предложения для более скорейшего развития технологий применения солнечной энергии, которая неизменно положительно скажется на улучшению состояния окружающей среды.

 

Объектом исследования явились книги по истории развития и создания источников использования солнечной энергии, статьи российских и иностранных разработчиков и научных сотрудников, интернет-страницы, различные издания экологического характера.

 

Предметом исследования является солнечная энергия, которая применяется как альтернативный источник тепла.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.                История создания фотоэлектрических элементов и области применения солнечной энергии.

Впервые фотогальванический эффект наблюдал в 1839 году французский физик Антуан Анри Беккерель, однако первый прототип солнечной батареи сделал в 1883 году американский изобретатель Чарльз Фриттс. Устройство первой солнечной батареи представляло из себя полупроводник покрытый сверхтонким слоем золота. Эффективность батареи была около 1%.

         В 1888 году Александр Столетов создал первый в мире фотоэлектрический элемент. А в 1905 году Альберт Эйнштейн в своей работе объяснил явление фотоэлектрического эффекта, за что был удостоен Нобелевской премии по физике в 1921 году. В 1946 году солнечная батарея современного вида была запатентована Расселом Олом (Russell Ohl).

         Современные высокоэффективные солнечные батареи на кристаллическом кремнии были созданы в Лабораториях Белла (Bell Laboratories), инженерами Дэрил Чапин (Daryl Chapin), Кельвином Соулзером Фуллером (Calvin Souther Fuller) и Геральдом Пирсоном (Gerald Pearson) в 1954 году. С тех пор солнечная батарея начала свое победное шествие по миру.

         Необходимо помнить о главном  из недостатков кремния, который является основой солнечной батареи, это его зеркальность, то есть этот элемент отражает часть солнечной энергии, которая расходуется впустую. Чтобы как можно больше снизить потери такого рода, фотоэлемент окрашивается антибликовым слоем. Ну а чтоб защитить панель от воздействий осадков, ее просто накрывают прозрачными стеклянными панелями.

По по какому же принципу работают такие элементы? Как именно, получается, преобразовать энергию солнца в электрическое напряжение?

Рассмотрим некоторые варианты применения солнечной энергии.

Фотоэлектрические панели

  1. Солнечная батарея— несколько объединённых фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) — полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток, в отличие от солнечных коллекторов, производящих нагрев материала-теплоносителя.

 

    История создания солнечных батарей началась еще в 19 веке, а технология их производства развивалась удивительно быстро. Причиной служили постоянно проводимые исследования в области преобразования солнечной энергии в электрическую. Еще в 1839 году Антуан-Сезар Беккерель представил созданную им химическую батарею, которая под воздействием солнца вырабатывала электричество. Первая солнечная батарея имела КПД всего 1%. То есть только один процент солнечного света был преобразован в электричество. В 1873 году Уиллоуби Смит обнаружил чувствительность селена к свету, а в 1877 году Адамс и Дэй отметили, что селен под воздействием света производит электрический ток. Чарльз Фриттс в 1880 году использовал покрытый золотом селен для производства первого солнечного элемента, который также имел эффективность 1%. Тем не менее, Фриттс считал свои солнечные элементы революционными. Он рассматривал возможность использования бесплатной солнечной энергии как средство диверсификации поставок энергии, предсказывая, что производимые солнечные батареи вскоре заменят существующие электростанции.


С объяснением в 1905 году Альбертом Эйнштейном фотоэффекта появились надежды на создание солнечных батарей с более высоким КПД, но прогресс оказался незначительным. В середине 20 века исследования в области диодов и транзисторов дали необходимые для ученых знания. В 1954 году Гордон Пирсон, Дэррил Чапин и Кэл Фуллер произвели кремниевый солнечный элемент, имеющий КПД 4%. В дальнейшем эффективность ячейки была повышена до 15%. Солнечные батареи были впервые использованы в сельских районах и отдаленных городах в качестве источника питания для системы телефонной связи, где они успешно использовались на протяжении многих лет.

 

Разновидности солнечных панелей

Кремниевые солнечные батареи

Такой тип солнечных панелей отличается в первую очередь своим материалом, который, как можно догадаться из названия, представлен кремнием. Сегодня это самые популярные батареи на рынке. Это связано с тем, что кремний сравнительно легкодоступный материал, он недорогой и при этом обладает хорошими показателями производительности, по сравнению с конкурентными видами солнечных модулей. Производят их не только из кремния, но и в том числе из моно, поликристаллов в также аморфного кремния. В чём разница?

Монокристаллические солнечные батареи

Для производства солнечных батарей монокристаллического типа используют очищенный, самый чистый кремний. Такой вид солнечной панели выглядит как силиконовые соты, или ячейки, которые соединены в одну структуру. После того, как очищенный монокристалл затвердевает, его разделяют на супер тонкие пластины, толщиной до 300 мкм. Такие готовые пластины соединены тонкой сеткой из электродов. В сравнении с аморфными батареями, такие стоят дороже, ведь технология их производства в разы сложнее. При этом такие батареи стоит выбрать хотя бы за их высокий коэффициент полезного действия(КПД). На уровне 20%. Да, для солнечных батарей это хороший показатель.

Поликристаллические солнечные панели

Для того чтобы получить поликристаллы, кремниевую субстанцию медленно охлаждают. Такой подход к технологии производства значительно дешевле чем в предыдущем типе панелей, поэтому и стоит этот вид дешевле. При этом для изготовления требуется меньше энергии, а это ещё раз благотворно действует на цену. Но чем-то же нужно жертвовать? Поэтому у таких батарей КПД ниже — до 18%. Связано такое падение коэффициента с образованиями внутри поликристалла, которые снижают эффективность.

Аморфные солнечные панели или батареи из аморфного кремния

  • Данный вид солнечных батарей можно отнести как к кремниевым (потому что материал изготовления — кремний) так и к плёночным, ведь изготовлены они по принципу производства плёночных батарей. Но всё же отличия есть.
  • Здесь используются не кристаллы кремния, а так называемый силан (кремневодород). Его наносят на подложку, внутри батарей. КПД у такого вида солнечных батарей намного ниже — около 5%. Но всё не так плохо! Есть и преимущества, среди которых можно назвать: намного лучшее поглощение (в 20 раз лучше), лучше работает при отсутствии прямого солнца, когда пасмурно, эластичность панелей.
  • Также бывают сочетания моно и поликристаллических панелей с аморфными.Такое сочетание позволяет соединить преимущества двух различных типов. Например, батареи лучше работают, когда солнца недостаточно для обычных кристаллических батарей.

 

Принцип работы

Рис.1

Все солнечные батареи строятся на базе множества электрических ячеек, устанавливаемых в общий пакет. Материал ячеек это полупроводник, и в основном это кремний.  то время когда солнечное излучение попадает на полупроводниковый элемент, последний повышает свою температуру, впитывая энергию солнца. Поглощенная энергия высвобождает электроны внутри молекул элемента. Под воздействием электрического поля, негативно заряженные частички начинают свой ход, тем самым образуя ток.

Если к верхней и нижней части полупроводника прислонить электрическую цепь, можно осуществить отбор мощности, для питания различных потребителей. Мощность отдаваемой энергии будет характеризоваться интенсивностью тока и напряжением.

 

Сила тока будет зависеть от таких параметров, как:

  • уровень инсоляции;
  • размер фотопреобразователя;
  • тип фотоэлемента;
  • общего сопротивления приборов, подключенных к солнечной батарее.

 

Как работают солнечные батареи?

Фотоэлементы, или как еще их называют полупроводниковые устройства, преобразуют солнечную энергию в постоянный электрический ток. Если соединить определенное количество фотоэлектрических преобразователей, получим солнечную батарею. Даже при небольшой облачности солнечные батареи вырабатывают достаточное количество энергии. Число используемых модулей зависят от расчетного потребления электричества. Продолжительность работы этой системы около 20-25 лет, а окупаются затраты на сооружение солнечных батарей несколько лет.

Плюсы и минусы использования солнечных батарей

Обычные балконы имеют средние габариты, поэтому модули для солнечных батарей должны быть как можно малыми по размеру, чтобы была возможность разместить их на балконе, и должны давать максимальное количество энергии.

В комплект системы для преобразования солнечной энергии входят:

— солнечная батарея,
— инвертор (преобразователь напряжения) высокой мощности,
— аккумулятор,
— система управления модулями.

Человек, имеющий элементарный познания в электрике, без проблем справится со схемой подключения модулей. Панели солнечной батареи устанавливаются снаружи балкона, для них не требуется особый уход и внимание. Но так как аккумуляторы не выдерживают низкие температуры, то важным моментом является утепление балкона. И, естественно, так как солнечные батареи преобразовывают солнечную энергию в электрическую, эту энергию можно использовать не только для освещения балконов, но и для дополнительного обогрева в зимний период.

Стоимость оборудования и установки данных систем

Дешевым такой способ получения электроэнергии назвать сложно потому, что оборудования и работ по монтажу и сборке начинается от 3500 евро. К тому же необходимо переоборудование квартиры энергосберегающими приборами.

В то же время стоит отметить, что всего один метр солнечных батарей на балконе производит до 100 Ватт электроэнергии в час или 18кВт в месяц. В качестве дополнительного источника электроэнергии можно использовать гибкие, пленочные модули, которые можно крепить непосредственно на окна. Рис.6.

 

2.                Солнечная печь

Солнечная печь — устройство для использования энергии солнечного света для приготовления пищи без использования топлива или электроэнергии. Аналогичные по принципу устройства иногда применяются для опреснения непригодной для употребления воды в засушливых регионах.

Устройство

 Простейшая солнечная печь представляет из себя особым образом согнутый картон, покрытый фольгой. Фольга отражает солнечный свет и фокусирует его на обычной чёрной металлической кастрюле. Кастрюля закрыта стеклянной крышкой и завернута в прозрачный пластиковый пакет чтобы уменьшить теплопотери. Существуют и более совершенный вид солнечных печей — с металлическими отражателями и т. д., в том числе большие стационарные солнечные печи для столовых или кафе.

На конкурсе Financial Times дешевых (примерно от 5 до 50 долларов) экологичных бизнес-изобретений «Climate Change Challenge» («Вызов изменению климата») солнечная печь из картона «Киото-бокс» (англ. en:Kyoto box) с теплоизоляцией конструкции норвежского изобретателя Йона Бомера (Jon Bohmer) получила первый приз и 75 тысяч долларов на реализацию изобретения.

Также термин «солнечная печь» применяется для обозначения более сложных гелиоустановок для плавки и термообработки материалов. Такие солнечные печи отличаются высокой стоимостью и применяются в случаях, когда необходимо создать особые («стерильные») условия плавления и термообработки, исключающие внесение примесей в обрабатываемый материал.

Как работает солнечная печь?

Солнечная печь собирает и накапливает тепловые лучи Солнца. Все лучи, попадающие на блестящий коллектор, отражаются внутрь печи  и нагревают её изнутри. Чёрная бумага поглощает тепло, попадающие на неё, что способствует нагреву воздуха внутри печи. Так как коллектор покрывает большое пространство по сравнению с печью, лучи солнца сосредотачиваются в печи. Пища внутри печи нагревается за счёт лучей, попадающих на неё, и за счёт теплого воздуха в печи. Пища поглощает тепло, и начинает готовиться.

3.                Солнечный водонагреватель

Солнечный водонагреватель — разновидность солнечного коллектора. Предназначен для производства горячей воды путём поглощения солнечного излучения, преобразования его в тепло, аккумуляции и передачи потребителю.

История создания

Первый солнечный водонагреватель был создан в 1767 году швейцарским ботаником Орасом Бенедиктом де Соссюром и по своей мощности он позволял приготовить суп.

Современный тип водонагревателей был создан в 1953 году в Израиле инженером Леви Иссаром и усовершенствован доктором Цви Тавором в 1955 году, за что получил спустя 3 года премию в 1000 израильских лир от премьер-министра страны, Давида Бен-Гуриона.

Устройство

Солнечный водонагреватель с вакуумным коллектором, наиболее эффективный, хотя и самый дорогой, состоит из двух основных элементов:

  • наружного блока — солнечных вакуумных коллекторов;
  • внутреннего блока — резервуара-теплообменника.

Наружный блок состоит из вакуумных трубок, с нанесенным с внутренней стороны селективным покрытием в несколько слоев и отражающего слоя. Данное покрытие имеет самое важное значение в работе солнечных коллекторов. Солнечный вакуумный коллектор обеспечивает сбор солнечного излучения в любую погоду, ослабляя зависимость от внешней температуры. Коэффициент поглощения энергии коллекторов достигает 98 %, но из-за потерь, связанных с отражением света стеклянными трубками и их неполной светопроницаемостью, он ниже.

Солнечные коллекторы преобразуют прямые и рассеянные солнечные лучи в тепло. Инфракрасное излучение, которое проходит сквозь облака, также поглощается и преобразуется в тепло.

Резервуар-теплообменник представляет собой систему преобразования, поддержания и сохранения тепла, полученного от энергии солнца, а также и от других источников энергии (например, традиционный отопитель, работающий на электричестве, газе или дизтопливе), которые страхуют систему при недостаточном количестве солнечной энергии. Нагретая вода поступает из теплообменника внутреннего блока в радиаторы системы отопления, а вода из резервуара используется для горячего водоснабжения.

Подогреватель газовый или электрический должен ставиться не параллельно солнечному нагревателю (в этом случае он будет греть холодную воду), а обязательно последовательно, после солнечного нагревателя. Тогда его вклад в нагрев будет минимальным, поскольку он будет только догревать воду, уже нагретую солнцем.

Как это действует?

Солнечный нагреватель подогревает воду, используя энергию Солнца. Солнце поставляет энергию в виде тепла и света. Тепло и свет, поступающие на солнечную панель, поглощаются её чёрной поверхностью. Если вода холоднее панели, тепло переходит в воду, нагревая её. Тёплая вода имеет меньшую плотность по сравнению с холодной, поэтому тёплая вода поднимается вверх по трубке в накопитель воды. Холодная вода вытекает из накопителя на её замену. Циркуляция воды продолжается до тех пор, пока вся вода не станет той же температуры, что и панель. 

 

4.                Практические примеры применения солнечной энергии в современной жизни

 В столице КНДР ввели в эксплуатацию паромы на солнечных батареях

Рис.2. На реке Тэдонган в столице КНДР ввели в эксплуатацию паромы с электродвигателем, который работает на солнечных батареях. Все три судна водоизмещением 45 тонн, способные развивать скорость до 6 узлов (11,1 км/ч), были построены на основе отечественных технологий. Они предназначены для перевозки 50-60 пассажиров на небольшие расстояния. Конструкция судов, не загрязняющих окружающую среду, обеспечивает минимальный уровень шума.

Как сообщил журналистам представитель министерства речного транспорта, паромы будут курсировать в столице между площадью Ким Ир Сена и Монументом идей чучхе в часы пик. Кроме того, добавил он, на них будут организованы туристические поездки для иностранцев, желающих ознакомиться с достопримечательностями Пхеньяна.

Власти КНДР уделяют большое внимание альтернативным источникам энергии. В стране используются солнечные батареи для освещения улиц, парковых зон и жилых домов Пхеньяна, Кэсона, других крупных городов.

Ожидается, что внедрение таких источников энергии позволит строить здания, не подверженные частым перебоям с электричеством. К тому же таким образом можно существенно улучшить экологическую ситуацию, остановив работающие на угле устаревшие котельные, выбрасывающие в атмосферу тонны вредных веществ.

В 2013 году Президиум Верховного народного собрания КНДР одобрил закон, в соответствии с которым планируется увеличить финансирование исследований возобновляемых источников энергии, создать для этого материально- техническую базу, наладить в этом направлении сотрудничество с другими странами. При этом учитывается отсутствие в КНДР месторождений газа и нефти.

Законодатель мировой компьютерной моды, знаменитая фирма Apple купила в Калифорнии большую солнечную ферму. И уже начала торговать солнечной энергией. А планы куда масштабней: компания утверждает, что намерена перевести практически всю свою энергетику на возобновляемые источники.

Европа и США планируют к 2040 году довести долю альтернативной энергии до 40 процентов

В спину Apple дышит интернет-магазин Amazon, который планирует в Техасе построить 253-мегаваттную ветряную электростанцию. А Google уже потребляет 35 процентов энергии от возобновляемых источников. Кроме того, инвестировал значительную сумму в создание одной из крупнейших в мире солнечной электростанции Ivanpah Solar Electric мощностью почти 400 мегаватт.

Почему же сугубо IT-компании обратили взоры на «зеленую» энергию? Задумались об экологии? О том, как снизить выбросы парниковых газов, заменив станции на углеводородах солнечными и ветровыми? Все гораздо прозаичней — деньги! Расходы на электричество чувствительно бьет по карману даже таких гигантов как Apple. Много энергии уходит на питание современных центров обработки данных. Ведь сервера работают семь дней в неделю 24 часа в сутки. Только их охлаждение влетает в большую копейку.

Надо отметить, что рынок очень чутко реагирует на последние тенденции. В разных точках планеты начинается сооружение крупных солнечных ферм. Еще несколько лет назад 50-мегаваттный проект считался супермасштабным, а сейчас уже есть несколько установок, готовых производить сотни мегаватт или больше. Крупнейшая в мире 750-мегаваттная электростанция в Мадхья-Прадеш в Индии вступит в работу уже в будущем году. Словом, нас ждет еще более масштабный бум альтернативной энергетики.

Кстати
На планете остановился рост выбросов углекислого газа. Эту оптимистическую новость сообщила международная организация «Глобальный проект по углероду». Хотя ранее экологи били тревогу: уровень углекислого газа в атмосфере планеты в 2015 году впервые за время наблюдений достиг критической отметки в 400 частей на миллион. И скорей всего, ниже уже не опустится в течение жизни многих поколений.

Но все же лучше держать эту планку, чем продолжать ее поднимать, усугубляя негативный эффект глобального потепления. Остановить рост удалось благодаря снижению его потребления угля в США. Кроме того, свою роль сыграл и Китай. Именно он был главным поставщиком парниковых газов, но с 2012 года, когда потребление угля стало сокращаться, снизились и выбросы углекислого газа. происходит на фоне снижения спроса на американский уголь. Ветер, солнечная энергия и газ продолжают вытеснять уголь в производстве электроэнергии в США и Китае, отмечают ученые.

Первая в России заправка электромобилей от солнечной энергии в Санкт-Петербурге.

Команда студентов Санкт-Петербургского Политехнического Университета Петра Великого намерена построить электромобиль, работающий только от солнечной энергии. Но это пока только замысел. А в качестве первого этапа студенты построили первую в России заправку электромобилей от солнечной энергии. Открытие заправки было приурочено к Международному экологическому фестивалю GREENDAY, проходившему в Санкт-Петербурге 1 октября 2016 года. Рис.3

 

За два месяца был пройден путь от идеи до работающей на солнечной энергии электрозаправки. Рис.4

Есть также и задел на будущее: инвертор уже обладает функцией продажи энергии в сеть. К примеру, днем от солнца продается энергия в сеть, а ночью эта энергия потребляется, пока электромобиль стоит и заряжается. В результате можно остаться в плюсе. Остается только дождаться принятия соответствующего закона, поскольку на данный момент продажа электричества частными лицами не предусмотрена. В любом случае, заправкой можно пользоваться бесплатно на охраняемой парковке.

4.Солнечные батареи на балконе, крыше дома, стенах зданий для отопления и энергоснабжения помещений.

Владельцам частных домой проще, так как обустройство на крыше площади под солнечные батареи это лучший вариант их расположения. Как же быть хозяевам квартир в многоэтажках? Один из вариантов — это устройство солнечных батарей на балконах для выработки энергии для освещения и отопления помещений.

Рис.5

 

 

 

 

3.               Опытно-экспериментальная часть

Предметов исследования данной работы является применения солнечной энергии в бытовых условиях.

Целью данного эксперимента является ответ на вопрос: "Возможно ли добиться существенного нагрева поверхности используя солнечную энергию?"

         Для проведения опыта будем использовать набор "Солнечная Энергия" фирмы Green Science.

         В данном наборе представлена модель миниатюрной печи, работающей на солнечной энергии, ее то мы и планируем использовать в нашем эксперименте.

         Так как в зимний период времени солнечных дней не так много и эксперимент проходит в помещении, будем использовать в качестве источника тепла настольную лампу с обычной лампой накаливания мощностью 60Вт. Лампа будет выполнять роль солнца и нагревать печь.

         Нагревательная печь состоит из следующих элементов:

  1. картонная коробка
  2. серебристые отражающие карточки
  3. листы черного цвета

4.наклейки индикатора тепла 70С0 и 40С0.

  1. фольга пищевая
  2. кусочек шоколада размером 0,5х0,5 см.

Рис.7

Итак, познакомимся с работой печи:

         Солнечная печь собирает и накапливает тепловые лучи Солнца. Все лучи попадающие на блестящий коллектор, отражаются внутрь печи и нагревают ее изнутри. Черная бумага поглощает тепло, попадающее на нее, что способствует нагреву воздуха внутри печи. Так как коллектор покрывает большое пространство по сравнению с печью, лучи солнца сосредотачиваются в печи. Пища внутри печи нагревается за счет лучей, попадающих на нее и за счет теплого воздуха внутри печи. Пища поглощает тепло и начинает готовиться.

         Нагрев печи во времени можно посмотреть в представленной таблице.

Таб1

Результат эксперимента, шоколад расплавился рис

Вывод: Тепловую энергию можно использовать в быту, пища нагрелась до температуры выше 40С0 в течении ..10.минут. При более длительном использовании и благоприятных погодных условиях, даже в такой печи возможно приготовление сырого яйца до готовности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.               Расчетная часть

         Использования природных ресурсов негативно сказывается на экологии окружающей среды и наносит природе непоправимый ущерб.

         Дома, вместе с родителями я составил «Энергетический паспорт своей квартиры». Результаты занесен в таблицу. С помощью вычислений (Энергия = мощность × время работы) была определена расходуемая энергия. Посчитано количество электроэнергии, израсходованной в среднем каждым членом семьи в сутки, за неделю, месяц, год. Посчитано, сколько стоит в рублях эта электроэнергия.

Таб.3.

ВЫВОД: в среднем семья из четырех человек расходует в сутки 12,0 кВтч электроэнергии, соответственно на одного члена семьи приходится 3 кВтч электроэнергии в сутки.

Рис.5


Расчитаем среднее количество электроэнергии, израсходованное одним человеком в сутки, неделю, месяц, год и подсчитали сколько стоит в рублях эта электроэнергия. Полученные данные занесем в таблицу.

Таб.4.


Далее рассчитали, сколько угля, нефти, газа нужно сжечь для получения этого количества электрической энергии и сколько углекислого газа выделится при этом.

Таб.5


Для определения массы израсходованного топлива и объема, выделившегося при этом углекислого газа мы использовали следующие выражения:

Для нефти и угля: Масса топлива = энергия / удельная теплота сгорания
Объем углекислого газа = масса топлива х удельное количество углекислого газа

Для природного газа: Объем топлива = энергия / удельная теплота сгорания
Объем углекислого газа = объем топлива х удельное количество углекислого газа

Полученные данные занесли в таблицу:

Таб.6


Также по этим формулам вычислили количество углекислого газа, который выделяется при сгорании топлива. Результаты в таблице:

Таб.7

Рис. 6

ВЫВОД: В результате вычислений, мы увидели, что больше всего углекислого газа выделяется при сгорании угля, поэтому оно приносит больший вред окружающей среде, а меньше всего выделяется углекислого газа при сгорании природного газа, то есть природный газ более экологически чистое топливо!

При применении же солнечных батарей выбросов в атмосферу и потребление природных энергоносителей не требуется, если только в целях альтернативной системы при аварийных ситуациях, но это мы не рассматриваем.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.               Вывод

Так как целью данной работы являлось доказательство возможности применения альтернативных источников энергии для сокращения потребления природных ресурсов и уменьшения выбросов в окружающую среду, на основе расчетов мы убедились,  что применение альтернативной энергии позволит сэкономить  например 135,2 кг угля  в год для каждой семьи, а так же сократит выбросы углекислого газа в окружающую среду.

 

Учитывая, что в количество людей в Нижнем Новгороде 1 267 760 человек 5* , принимая , что в средней семье 4 члена семьи получим 316 940 семей.

 

Итого экономия например угля для Нижнего Новгорода составит

316940х135,2=42850288кг (42 850 тн), а это уже серьезная цифра.

 

Для более активного применения альтернативных источников энергии требуется участие государства. Если бы государство взяло на себя часть финансовых расходов, изменило законодательство и позволило частным лицам продавать полученную энергию (так как при применении солнечных батарей возникают излишки ), я думаю это бы позволило сделать огромный шаг по сохранению окружающей среды и снижению выбросов в атмосферу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.                Список использованной литературы

  1. «Зеленая» модель для- энергии будущего Экология и жизнь 01.11.2011 Татьяна БРАУН
  2. http://www.ecolife.ru/infos/agentstvo-ekoinnovatsijj/3680/
  3. сайт лаб37, Двигатель прогресса, 2016 г  http://lab-37.com/technologies/kak-rabotayut-solnechnye-batarei/
  4. Данные количества жителей города взяты из федеральной службы государственной статистики. Официальный сайт службы Росстата gks.ru . Так же данные были взяты с единой межведомственной информационно-статистисеской системы, официальный сайт ЕМИСС www.fedstat.ru .
  5. Источник ТАСС11.16 1*
  6. Источник «Российская газета»12.2016 1* Впервые альтернативная энергия опередила уголь
  7. Источник: https://geektimes.ru/post/281246/
  8. В исследовании Германовича В. и Турилина А. Альтернативные источники энергии и энергосбережение. Практические конструкции по использованию энергии ветра, солнца, воды, земли, биомассы. — СПб: Наука и Техника
  9. 20 конструкций с солнечными элементами

Байерс Т.
Перевод с английского. – Москва: Мир, 1988. – 197 с. с иллюстрациями.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.               Приложение

Рис.1

Рис.2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.3

Рис.4

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.5

 

Рис.6.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис 7

 

 

Рис.8

 

 

 

 

 

Рис 9

Таб.1

Наименование

Время

время, мин

0

5

10

состояние

твердое

мягкое

жидкое

Таб.2

Наименование

Кол-во штук

Суммарная мощность, кВт

Время работы за сутки

Электроэнергия израсходованная за сутки кВт/ч

2

1

Электрические лампы

10

0,08

3

2,4

2

Холодильник

1

0,3

4

1,2

3

Микроволновые печи

1

1,5

1

1,5

4

Духовой шкаф

1

1,25

1

1,25

5

Стриральная машина

1

4

0,25

1

6

Телевизор

2

0,25

4

1

7

Компьютер

1

0,4

6

2,4

8

Принтер

1

0,35

0,5

0,175

9

Утюг

1

1,25

0,25

0,3125

10

Фен

1

1

0,3

0,3

12

Электрический чайник

1

2,5

0,3

0,75

Общее количество энергии

12,88

12,2875

Таб.3

Наименование

Электроэнергия израсходованная за сутки кВт/ч

Электроэнергия израсходованная за сутки  %

Приготовление пищи

3,5

29

Хранение пищи

1,2

10

Развлечение

3,4

28

Стирка

1,3125

11

освещение

2,4

20

другое

0,475

4

 

12,2875

102

 

Таб.4

Наименование

Расход на 1го человека

сутки

неделя

месяц

год

Кол-во эл.энергии, кВт/ч

3

21

90

1095

Стоимость эл.энергии в руб

12

84

360

4380

 

Таб.5

Наименование вида топлива

Удельная теплота сгорания, к Втч/кг, кВтч/м3(для газа)

Удельное количество угл газа, м3/кг, м3/м3(для газа)

1

Уголь

8,1

1,7

2

Нефть

12,8

1,5

3

Природный газ

11,4

1,2

 

 

 

 

 

Таб.6

Наименование

Расход количества топлива

день

неделя

месяц

год

Уголь

0,38 кг

2,6 кг

11,1 кг

135,2 кг

 

0,23 кг

1,65 кг

7,04 кг

85,6 кг

Природный газ

0,3 м3

1,9 м3

7,9 м3

96м3

 

Таб7

Наименование

Количество выбросов углекислого газа, м3

день

неделя

месяц

год

Уголь

0,65

4,4

18,9

229,9

Нефть

0,3

2,5

10,6

128,4

Природный газ

0,36

2,3

9,5

115,2

 

 

Добавлено: 03.02.2017
Рейтинг: 8.025
Комментарии:
0
Сказали спасибо 0
Сказать спасибо
footer logo © Образ–Центр, 2017. 12+