проект
«Энергосберегающие технологии
для моей школы»
Автор:
ученица 9 класса
Горяйнова Маргарита Олеговна
МКОУ «Масловская СОШ»
Новоусманский район
Воронежская область
руководитель учитель физики Г.М.Фролова
Посёлок совхоза «Воронежский», 2015 год.
СОДЕРЖАНИЕ:
Введение……………………………………………………………….…. 3
Затраты энергии в моей школе…………………………………………. 5
Солнечная энергия………………………………………………………. 6
Энергоснабжение частных домов………………………………………. 7
Энергоснабжение школы…………………………………………………8
Справочная таблица……………………………………………..…….….9
Правила установки солнечных батарей……………………………….. 10
Вакуумный солнечный коллектор………………………………………10
Выводы………………………………………………………………….…12
Список используемой литературы………………………………………13
1.Введение
Энергию, которую мы используем сегодня, получают, в основном, из ископаемых видов топлива. Уголь, нефть и природный газ – ископаемые виды топлива, созданные в течение миллионов лет в процессе распада растений и животных. Месторасположение этих ресурсов – недра Земли. Под воздействием высокой температуры и давления процесс образования ископаемых видов топлива продолжается и сегодня, однако их использование происходит намного быстрее, чем образование. По этой причине ископаемые виды топлива считаются невозобновляемыми, поскольку их ресурсы могут исчерпаться в недалеком будущем. Кроме того, сжигание ископаемых видов топлива ведет к загрязнению и другим негативным воздействиям на природную среду. Поскольку наше существование зависит от энергии, мы должны использовать такие ее источники, ресурсы которых были бы неограниченными. Такие источники энергии называются возобновляемыми. Кроме того, производство энергии из возобновляемых источников не наносит вред окружающей среде в отличие от сжигания ископаемых видов топлива.
Среди ископаемых видов топлива особое место занимает уран – ядерное топливо, ресурсы которого могут быть истощены менее чем за 100 лет. Однако, в так называемых реакторах-размножителях, можно получать новый уран. В то же время, в связи с проблемой радиоактивных отходов, которая представляет опасность в течение миллионов лет, а также после Чернобыльской катастрофы, продемонстрировавшей риск, связанный с использованием атомной энергии, большинство правительств индустриальных стран отказывается от использования атомной энергии. Этот процесс продолжается несмотря на тот факт, что атомная энергия, при производстве которой почти не образуются парниковые газы, может в какой-то степени рассматриваться в качестве решения проблемы глобального изменения климата. Проблема парниковых газов, признанная одной из наиболее важных среди множества других, требует уменьшить использование энергии ископаемых видов топлива.
Из всех отраслей хозяйственной деятельности человека энергетика оказывает самое большое влияние на нашу жизнь. Тепло и свет в домах, транспортные потоки и работа промышленности – все это требует затрат энергии.
Ежегодно для производства энергии используется 10 млрд. тонн топлива. Около 40% этого количества приходится на нефть. Учитывая, что кроме нефти используются такие виды топлива, как уголь и природный газ, можно заключить, что более 90% всей потребляемой энергии производится с использованием углеродосодержащего сырья. Следствием такого масштабного использования ископаемых источников энергии может быть глобальное потепление (так называемый парниковый эффект) и недостаток ресурсов в будущем.
Из всех отраслей хозяйственной деятельности человека энергетика оказывает самое большое влияние на нашу жизнь. Тепло и свет в домах, транспортные потоки и работа промышленности – все это требует затрат энергии.
Перед человечеством уже сегодня встает задача освоения неисчерпаемых источников энергии. В течение нынешнего века начнется переход к альтернативным источникам энергии, эпоха «черного золота» пройдет и что произойдет с экономикой стран зависящих от нефти можно только догадываться. У солнечной энергии два основных преимущества. Во-первых, ее много и она относится к возобновляемым энергоресурсам: длительность существования Солнца оценивается приблизительно в 5 млрд. лет. Во-вторых, ее использование не влечет за собой нежелательных экологических последствий.
Однако использованию солнечной энергии мешает ряд трудностей. Хотя полное количество этой энергии огромно, она неконтролируемо рассеивается. Чтобы получать большие количества энергии, требуются коллекторные поверхности большой площади. Кроме того, возникает проблема нестабильности энергоснабжения: солнце не всегда светит. Даже в пустынях, где преобладает безоблачная погода, день сменяется ночью.
Следовательно, необходимы накопители солнечной энергии. И наконец, многие виды применения солнечной энергии еще как следует не апробированы, и их экономическая рентабельность не доказана. Можно указать три основных направления использования солнечной энергии: для отопления (в том числе горячего водоснабжения) и кондиционирования воздуха, для прямого преобразования в электроэнергию посредством солнечных фотоэлектрических преобразователей и для крупномасштабного производства электроэнергии на основе теплового цикла.
Актуальность работы объясняется новыми веяниями в науке, новыми гипотезами и теориями об использовании солнечной энергии, а также использование в настоящее время солнечных батарей и других поглотителей солнечных лучей.
Целью работы является: установить возможность применения существующих методов использования солнечной энергии для освещения и обогрева моей школы.
Задачи:
- изучая литературные источники, раскрыть представления о природе солнечного излучения, его мощности;
- выяснить, какими способами можно накапливать и использовать солнечную энергию;
- рассчитать возможные экономические затраты на установку оборудования и срок его окупаемости.
Метод исследования, применяемый при написании работы, можно охарактеризовать как теоретический, основанный на анализе различных источников информации.
Объект исследования: солнечная энергия.
Предмет исследования: размещение на крыше школы поглотителей солнечной энергии.
2.Затраты энергии в моей школе
Я живу в посёлке «Воронежский» в 10 км от г.Воронежа.
Школа моя большая, уютная. Учатся в ней 208 учеников. Общая площадь школы 1650 м2. В каждом классе 8-12 лампочек по 100 Вт. В осенне-зимний период свет в школе горит с 8.00 утра до 13.00. В коридорах свет горит более 7 часов в сутки.
В каждом кабинете есть компьютер и проектор. В школе два компьютерных класса. Компьютеры работают в течение 4-5 часов.
А ещё в нашей школе очень хорошая столовая, повара готовят вкусные завтраки и обеды. Завтракают 100% учащихся, обедают 95%. Плиты в столовой электрические.
Ночью школа освещена (уличное освещение) для безопасности.
Электроэнергии затрачивается в течении года около 60.000кВт. Стоимость 1кВт в нашем районе 2,02 рублей. Более 100 тыс. рублей ежегодно школа платит за электроэнергию.
3.Солнечная энергия
Земля каждый день получает от Солнца в тысячу раз больше энергии, чем её вырабатывается всеми электростанциями мира. Задача здесь состоит в том, чтобы научиться практически использовать хотя бы ее небольшое количество. Нельзя утверждать, что широкомасштабное использование солнечной энергии не будет иметь никаких последствий для окружающей среды, но все же они будут несравненно меньшими, чем в традиционной энергетике. 
Одним из лидеров практического использования энергии Солнца стала Швейцария. Здесь построено примерно 2600 гелиоустановок на кремниевых фотопреобразователях мощностью от 1 до 1000 кВт и солнечных коллекторных устройств для получения тепловой энергии. Программа, получившая наименование "Солар-91" и осуществляемая под лозунгом "За энергонезависимую Швейцарию!", вносит заметный вклад в решение экологических проблем и энергетическую независимость страны импортирующей сегодня более 70 процентов энергии.
Гелиоустановку на кремниевых фотопреобразователях, чаще всего мощностью 2-3 кВт, монтируют на крышах и фасадах зданий. Она занимает примерно 20-30 квадратных метров. Такая установка вырабатывает в год в среднем 2000 кВтч электроэнергии, что достаточно для обеспечения бытовых нужд среднего швейцарского дома и зарядки бортовых аккумуляторов электромобиля. Дневной избыток энергии в летнюю пору направляют в электрическую сеть общего пользования. Зимой же, особенно в ночные часы, энергия может быть бесплатно возвращена владельцу гелиоустановки.
Крупные фирмы монтируют на крышах производственных корпусов гелиостанции мощностью до 300 кВт. Одна такая станция может покрыть потребности предприятия в энергии на 50-70%. В районах альпийского высокогорья, где нерентабельно прокладывать линии электропередач, строятся автономные гелиоустановки с аккумуляторами.
На каждый квадратный метр от солнца приходит 1367 Вт энергии (солнечная постоянная). До земли через атмосферу – доходит порядка 1020 Ватт (на экваторе). Если у нас КПД солнечного элемента 16% – то с квадратного метра мы можем получать в лучшем случае 163,2 Вт электричества. Но ведь у нас есть погода, солнце не в зените, иногда бывает ночь (разной длительности) – как это все посчитать?
Интенсивность солнечного света на уровне моря составляет 1-3 кВт на квадратный метр. КПД лучших солнечных батарей составляет 12-18%. С учетом КПД преобразование энергии солнечных лучей с помощью фотопреобразователей позволяет получить с одного квадратного метра не более 0,5 кВт мощности.
4.Энергоснабжение частных домов.
Как известно, все космические корабли и станции оснащаются солнечными батареями. Это позволяет им автономно вырабатывать энергию практически бесконечно. Аналогичную схему можно реализовать и на земле. Достаточно установить на крыше дома солнечные батареи (или, как их ещё называют, солнечные коллекторы) и дом будет обеспечен бесплатной электроэнергией.
Но чтобы полностью обеспечить энергией здание, пришлось бы покрыть его панелями сверху донизу. А как же окна? Вот если бы солнечные батареи можно было делать в виде тонкой прозрачной пленки, тогда эти проблемы бы исчезли, коммунальные счета снизились. Принцип работы батареи – это преобразование солнечной энергии в электрическую. Основана работа батареи на фотоэлектрическом эффекте. В результате воздействия светом на фотоэлемент батареи, энергия, вырабатываемая падающими на него фотонами, высвобождает со своей орбиты электроны, а возникающие электрические поля, выстраивают освободившиеся электроны в направленный электрический ток.
Для частного жилого дома обычно используют следующие комплектующие фотоэлектрической системы:
1) суммарная мощность солнечных панелей должна составлять 1000 Вт, они обеспечат выработку около 5 кВт ч;
2) аккумуляторы с общей емкостью в 800 А/ч при напряжении 12 В;
3) инвертор должен иметь номинальную мощность 3кВт с пиковой нагрузкой до 6 кВт, входное напряжение 24–48 В;
4) контроллер солнечного разряда 40–50 А при напряжении в 24 В;
5) источник бесперебойного питания для обеспечения кратковременного заряда с током до 150 А.
Таким образом, для фотоэлектрической системы электроснабжения понадобится 15 панелей на 36 элементов. Более мощными будут солнечные батареи на монокристаллах. Например, солнечная панель из 40 монокристаллов имеет максимальную мощность 160 Вт, однако такие панели чувствительны к пасмурной погоде и облачности. В этом случае солнечные панели на базе поликристаллических модулей оптимальны для использования в северной части России.
5.Энергоснабжение школы
В настоящее время нет в России школ, использующих солнечную энергию хотя бы для освещения школы. А ведь эту энергию можно использовать и для нагрева воды, отопления школы. Затраты на установку солнечных батарей (коллекторов) немалые. Но пройдёт время, и затраты окупятся. Финансово школа только выиграет, платить за использование электроэнергии нужно будет менее 100.000 рублей. Я в этом уверена. Предлагаю использовать солнечные батареи, разместив их на плоской крыше школы.
Солнечная батарея — бытовой термин, используемый в разговорной речи или ненаучной прессе. Обычно под термином «солнечная батарея» или «солнечная панель» подразумевается несколько объединённых фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) — полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток.
Монокристаллические батареи более эффективные, чем поликристаллические и тем более чем аморфные (плёночные). У монокристаллического модуля (батареи), каждая ячейка состоит из цельного монокристалла кремния лучшие модули изготавливаются с этим типом клеток. Они являются наиболее эффективными в любых условиях. Они стоят дороже, чем остальные, но это оправдывает себя. Первые монокристаллы солнечных батарей сделаны в 1950-х все ещё производят электричество! 
Получаемая от солнца энергия зависит от угла, под которым солнечные лучи попадают на плоскость солнечной батареи. Кроме того, осевое смещение Земли означает, что этот угол меняется в зависимости от времени года. Зимой солнечной энергии попадает намного меньше, поскольку и день короче, и солнце встаёт над горизонтом не на такой большой угол.
Если не регулировать солнечные батареи ежедневно, чтобы они соответствовали траектории движения солнца по небосклону, уровень вырабатываемой энергии существенно падает. В Воронеже солнечные батареи дают максимум энергии при угле наклона 34 градуса и ориентации прямо на юг. Как показали эксперименты, даже небольшие ошибки в ориентации и угле наклона существенно снижают объём вырабатываемой энергии.
Если развернуть солнечные батареи на крыше ориентировав их на ЮГ, то фиксированное расположение часто бывает единственно возможным вариантом. Крыша школы плоская, поэтому можно использовать всю поверхность. На площади в 1650 м2 можно разместить достаточно большое количество солнечных панелей. Следовательно, суммарная энергия, поступающая в аккумуляторы, будет немалой. Каждая солнечная батарея состоит из 36, 72 или даже 96 отдельных солнечных элементов. Ещё совсем недавно размер каждой ячейки составлял почти 125 квадратных миллиметров. Наиболее распространённые солнечные элементы изготавливались из толстоплёночного кремния, чей КПД составляет до 20 процентов для поликристаллических элементов и до 25 процентов для монокристаллических.
Ниже в таблице приведены сведения о поступлении солнечной радиации для некоторых городов России. Таблица построена по данным спутников NASA. В таблице представлены сведения о суммарной солнечной радиации применительно к широтам (по ней можно приблизительно высчитать солнечную энергию в других городах).
Справочная таблица среднемесячной суммарной
солнечной радиации, кВт/ч/м2
|
Янв
|
Фев
|
Мар
|
Апр
|
Май
|
Июн
|
Июл
|
Авг
|
Сен
|
Окт
|
Ноя
|
Дек
|
В год
|
*К
|
Москва
|
20,6
|
53
|
108,4
|
127,6
|
166,3
|
163
|
167,7
|
145
|
104,6
|
60,7
|
34,8
|
22
|
1173,7
|
1
|
Воронеж
|
30,7
|
60,1
|
117
|
129
|
169
|
166
|
176
|
151
|
120
|
81,8
|
50,3
|
37,1
|
1245
|
1,06
|
Краснодар
|
42,8
|
77,8
|
127
|
147
|
178
|
171
|
194
|
172
|
148
|
123
|
81,7
|
55,6
|
1433
|
1,22
|
Махачкала
|
48,2
|
77
|
128
|
168
|
200
|
190
|
208
|
196
|
161
|
132
|
93
|
77,2
|
1581
|
1,35
|
Рязань
|
21,2
|
55
|
109
|
130
|
168
|
165
|
169
|
147
|
106
|
62,3
|
35,2
|
23
|
1174
|
1,01
|
*К — коэффициент суммарной солнечной радиации по отношению к г. Москва.
У солнечных панелей есть заметные различия, если использовать их в северной, центральной или южной России, что вполне очевидно. Чем ближе широта расположена к экватору, тем больше будет солнечная энергия. Собственно, это и объясняет, почему южные регионы более активно используют солнечную энергию.
6.Правила установки солнечных панелей
Используйте место, максимально свободное от затенения (крыша или поверхность земли, где не бывает тени);
Используйте место, максимально свободное от затенения (крыша или поверхность земли, где не бывает тени);
Можно установить панели на крыше, если она ориентирована с востока на запад, но наилучший выход энергии получается, если крыша направлена на юг под углом от 20 до 40 градусов;
Необходима хорошая вентиляция или охлаждение солнечных панелей (повышает КПД);
Максимальная выработка энергии достигается, если солнечные панели будут ориентированы точно по солнцу.
В Воронеже можно приобрести солнечные батареи:
- площадь 1,64 м2,
- мощность 240 Вт,
- стоимость 9000 рублей.
Установка на крыше школы:
- площадь крыши 1650 м2,
- вместимость 1008 солнечных батарей,
- общая мощность 241920 Вт = 242 кВт.
В год суммарная мощность составит 88,3 МВт. Затраты – 60 МВт. Это значит, что солнечные батареи, установленные на всей крыше, полностью обеспечат школу электроэнергией.
Но установка оборудования очень дорогостоящая. Только батареи обойдутся в сумму, превышающую 10 млн.руб. Окупится такая установка за 100 лет. Кроме того, излишки энергии /88,3-60=22,3 МВт/ можно продавать жителям многоэтажек, расположенных рядом со школой. В денежном выражении это составит: 22300кВт*2,02руб.= 45046руб. в данной ситуации окупаемость уменьшится.
Долго? Это лучше, чем никогда!
7.Вакуумный солнечный коллектор
Есть предложение использовать вакуумные солнечные коллекторы.
Солнечный коллектор — устройство для сбора тепловой энергии Солнца (гелиоустановка), переносимой видимым светом и ближним инфракрасным излучением. В отличие от солнечных батарей, производящих непосредственно электричество, солнечный коллектор производит нагрев материала-теплоносителя.
Предлагаю простой способ, позволяющий на основе данных о солнечной активности в заданном регионе и площади поглощения солнечного коллектора, произвести расчет количества тепловой энергии, которое можно получить в конкретном регионе: от одной трубки солнечного коллектора, одного квадратного метра солнечного коллектора, за день, за год. 
Для начала проверим, насколько соответствует действительности значение площади поглощения трубчатого вакуумного солнечного коллектора, указываемое производителями и поставщиками.
В документации на "Водонагреватель, на солнечном коллекторе без давления из 15-ти вакуумных трубок", то есть на модель "Дача-1", указана площадь поглощения 2,35м2.
Известно, что длина вакуумной трубки 1800мм = 1,8м.
Диаметр трубки 58мм = 0,058м.
Трубка вакуумного коллектора – это цилиндр, площадь боковой поверхности цилиндра вычисляется по формуле:
S = 3,14*H*D
где 3,14 - число Пи, H - высота цилиндра(длина стороны), D - диаметр цилиндра. Диаметр трубки нам известен, поэтому воспользуемся формулой, в которой участвует диаметр.
Площадь трубки = 3,14 * 1,8 * 0,058 = 0,3278м2 = 0,33м2
Тогда, площадь всех трубок солнечного коллектора = 0,33*15 = 4,95м2.
Трубки солнечного коллектора преобразуют излучение в тепло всей площадью, однако наиболее эффективно преобразование на освещенной стороне трубок, то есть, чтобы определить площадь поглощения, надо разделить общую площадь трубок коллектора на 2. Получаем площадь поглощения всех трубок солнечного коллектора из 15-ти трубок 4,95м2 / 2 = 2,47м2. В документации на солнечный коллектор указана площадь поглощения 2,35м2.
То есть, в документации на солнечный коллектор указана информация о площади поглощения с учетом того, что часть каждой трубки вставлена в бак коллектора, а часть закрыта фиксатором - креплением на раму.
Площадь поглощения одной трубки = 0,15 м2
Зная площадь поглощения одной трубки, можно определить, сколько трубок составляют один квадратный метр поглощающей поверхности солнечного коллектора. Это интересно, так как во всех таблицах солнечной энергетики приводятся данные в расчете на 1м2.
1м2 / 0,15м2 = 6,66 = 7
1м2 поглощающей поверхности солнечного коллектора = 7 вакуумных трубок.
Тепловая мощность одной вакуумной трубки. Эта информация позволит рассчитывать, какое количество трубок должно быть в солнечном коллекторе для получения необходимой тепловой мощности:
Площадь поглощения одной трубки х Годовую инсоляцию в Воронеже х КПД коллектора 67%.
0,15м2 х 1245кВт*час/м2 х 0,67 = 125,12 кВт*час/м2
Для примера, пересчитаем по этой формуле мощность трубок, предлагаемых в нашем каталоге солнечных коллекторов, КПД которых ~ 80%.
0,15м2 х 1245кВт*час/м2 х 0,8 = 149,4 кВт*час/м2
Годовая мощность, вырабатываемая одной трубкой коллектора в Воронеже = от 125,12 до 149,4кВт*час/м2
Средняя по году суточная производительность тепловой энергии, одной вакуумной трубки в Воронеже = 0,376кВт*час,
Солнечный коллектор работает только при свете и указанную мощность мы «выберем» за световой день!
Доступная годовая экономия энергии за счет эксплуатации одного квадратного метра солнечного коллектора (7трубок) для Воронежа и Воронежской области составляет:
125,12 кВт*час/м2 * 7 = 875,84 кВт*час/м2
Энергия вырабатываемая за год одним квадратным метром солнечного коллектора в Воронеже = 875,84 кВт*час/м2
Если использовать всю крышу, то 875,84 кВт*час/м2 * 1650м2 = 1445136 кВт*час энергии, поглощаемой коллекторами. В денежном выражении это равно 2919174,7руб. За отопление школа ежегодно платит в пределах 500 тыс.руб. А тепло в школе бывает не всегда. Газовая котельная не справляется, да и потери энергии большие (котельная в 700м от школы). Даже если солнце будет светить не всегда, с помощью коллекторов можно хорошо отапливать школу. Окупаемость коллекторов наступит раньше, чем солнечных батарей, т.к. КПД коллекторов выше.
8.Выводы:
Считаю, что реально использование солнечных батарей для обеспечения школы электроэнергией. Возможно, найдётся спонсор – богатых людей у нас в стране много.
Солнечные коллекторы можно использовать для обогрева школы в зимний период, хотя бы частично компенсируя нынешние затраты.
Нужно верить в лучшее будущее, научно-технический прогресс идёт вперёд.
9.Используемая литература:
Кашкаров А.П. Ветрогенераторы, солнечные батареи и другие полезные инструкции. Изд.ДМК Пресс, 144с.
Интернет-ресурсы:
http://habrahabr.ru/post/158875/
http://www.windsolardiy.com/rasch-t-solnechnich-batarey-i-energosistem/solnechniy-dom.html
http://www.invertors.ru/solar.htm
http://www.220-on.ru/solutions/3/
http://www.vensus.ru/index.php?option=com_content&view=article&id=111&Itemid=115
http://www.eco-t-eco.ru/sanbank
http://think-blue.ru/blog/post/832
|
