XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Солнечная энергия на службе у человечества
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение. Качество нашей жизни зависит от энергопотребления, поэтому каждый из нас энергозависим. Это связано с тем, что за пределами больших городов энергоснабжение является нестабильным. Существуют природные факторы, создающие такую нестабильность. Примером могут послужить сильные ветры, ледяной дождь, которые приводят к обрыву электропроводов. Запасы угля и нефти исчерпаемы, именно это заставляет нас невольно задуматься о перспективах будущего. Поскольку возможности природы не безграничны, следует работать в этом направлении и использовать возможности других природных видов энергии и в частности солнечной энергии. Солнечная энергия представляет собой сферу значимых инвестиций в условиях снижения запасов нефти и газа.
Цель проекта: изучить способы использования солнечной энергии и определить, насколько данная энергия эффективна, экологически безопасна и экономична.
Задачи проекта:
Изучить научную литературу по теме использования солнечной энергией.
Ознакомиться с историей использования солнечной энергии.
Выяснить, как и где можно использовать солнечную энергию и определить, эффективность солнечной энергии.
Ознакомиться с фотоэлементами, солнечными батареями, а также их использованием.
Выяснить, как развивается солнечная энергетика в Белгородской области, стране и мире.
Определить плюсы и минусы использования данной энергии.
Проблема: существует много направлений альтернативной энергии, но в настоящее время существует проблема в области использования гелиоэнергетики, так как получение этой энергии будет возможно еще более четырёх миллиардов лет, стоит задуматься о её использовании в различных сферах деятельности человека.
Актуальность работы: запасы углеводородов постепенно истощаются, поэтому необходимо развивать альтернативную энергетику.
Объект: Солнце.
Предмет: Солнечная энергия.
1. Солнечная энергетика и ее особенности.
1.1 Количество солнечной энергии, поступающей на Землю
Солнечная энергетика представляет собой одно из самых перспективных и наиболее быстроразвивающихся направлений возобновляемых источников энергии в мире. Несмотря на огромный потенциал, эта отрасль в России пока не стала широко востребованной.
Солнечная энергетика — направление альтернативной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует возобновляемый источник энергии и является «экологически чистой», то есть не производящей вредных отходов во время активной фазы использования. Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии.
В качестве особого вида станций гелиотермальной энергетики принято выделять солнечные системы концентрирующего типа. В таких установках энергия солнечных лучей с помощью системы линз и зеркал фокусируется в концентрированный луч света. Этот луч используется как источник тепловой энергии для нагрева рабочей жидкости.
В 2020 году общая установленная мощность всех работающих солнечных панелей на Земле составила 760 ГВт. В 2019 году общая установленная мощность всех работающих солнечных панелей на Земле составила 635 ГВт. В 2019 году всего работающие солнечные панели на Земле произвели 2,7 % мировой электроэнергии.
Фото 1. Солнечная батарея.
Количество солнечной энергии, поступающей на Землю, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и других энергетических ресурсов, в том числе и возобновляемых. Использование 0,0125 % солнечной энергии могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0,5 % — полностью покрыть потребности в будущем. Потенциал настолько велик, что, по существующим оценкам, энергии Солнца, поступающей на Землю каждую минуту, достаточно для того, чтобы удовлетворить текущие глобальные потребности человечества в энергии в течение года.
Фото 2. Российское Солнце.
1.2. Потенциал солнечной энергетики в России.
По данным Института энергетической стратегии, теоретический потенциал солнечной энергетики в России составляет более 2300 млрд т условного топлива. Количество солнечной энергии, поступающей на территорию РФ в течение трех дней, превышает энергию всего годового производства электроэнергии в стране.
В связи с тем, что наша расположена между 41 и 82 градусами северной широты, уровень солнечной радиации варьируется: от 810 кВт час/м2 в год в отдаленных северных районах до 1400 кВт час/м2 в год в южных районах. На уровень солнечной радиации оказывают влияние и большие сезонные колебания: на ширине 55 градусов солнечная радиация в январе составляет 1,69 кВт час/м2, а в июле — 11,41 кВт час/м2 в сутки.
Потенциал солнечной энергии в нашей стране наиболее велик на юго-западе — на Северном Кавказе, в районах Черного и Каспийского морей, а также в Южной Сибири и на Дальнем Востоке.
Наиболее перспективными регионами для использования солнечной энергетики в России являются: Калмыкия, Ставропольский, Краснодарский и Забайкальский края, Ростовская, Волгоградская, Астраханская, Магаданская и Читинская области, Алтай, Приморье, Республика Саха и Бурятия.
В некоторых районах Западной и Восточной Сибири и Дальнего Востока уровень солнечной радиации выше, чем в южных регионах. Так, например, в Иркутске (52 северной широты) уровень солнечной радиации достигает 1340 кВт час/м2, тогда как в Республике Якутия-Саха (62 северной широты) данный показатель равен 1290 кВт час/м2.
В отдельных регионах Сибири и на юге страны в году насчитывается до трехсот солнечных дней. Такое же климатическое состояние имеет место в Южной Европе, где активно используются электростанции, преобразующие солнечную энергию.
Мировой рынок потребления солнечных панелей стремительно развивается потому, что солнечная энергетика обладает наибольшим потенциалом долгосрочного роста по сравнению с другими видами производства электроэнергии из возобновляемых источников (ВИЭ).
Рост рынка солнечной энергетики сопоставим с ростом рынка интернета — 50% в год. Фотовольтаика уже является конкурентоспособной частью системы электроснабжения в Европейском союзе и с каждым годом становится все более важной частью энергетического баланса во всем мире. В России в ближайшие годы также прогнозируется значительный рост.
Согласно распоряжению Правительства РФ от 8 января 2009 года №1‑р «О мерах поддержки развития ВИЭ», целевые показатели устанавливают долю ВИЭ в суммарном потреблении электроэнергии России на уровне 4,5 % к 2020 году. К этому времени планируется построить 6 ГВт объектов ВИЭ. Из них на солнечную энергию приходится 1,5 ГВт. Это равно полугодовому вводу в строй объектов солнечной энергетики в Италии или трехмесячному вводу — в Германии. Отраслевые эксперты полагают, что объекты солнечной энергетики мощностью 1,5 ГВт будут построены в РФ раньше 2020 года.
В данный момент, по информации экспертов Высшей школы экономики, энергия альтернативных источников в РФ составляет 0,5 % от общего объема выработки электроэнергии и около 2 % от общего объема выработки тепла.
В Минэнерго России и Минэкономики России обращают внимание на то, что строительство объектов солнечной энергетики необходимо начинать, прежде всего, на удаленных территориях. Здесь нужно учитывать два аспекта: один — это удаленность от центра РФ, второй — удаленность от сетей и от централизованных точек доставки электроэнергии. Эти аспекты не всегда совпадают. Например, такие регионы, как Приморье, а также территории, находящиеся в зоне железнодорожного сообщения вдоль границы с Китаем, значительно удалены от центра, но проблемы с энергоснабжением там, в силу исторических особенностей, решены.
Широкое использование солнечной энергетики в России имеет большое значение, потому что более 10 млн граждан нашей страны на сегодняшний день проживают без централизованного энергоснабжения.
1.3 особенности развития солнечной энергетики в Белгородской области
Перспективные регионы. В Белгородской области работает первая в России солнечная электростанция. Она практически не требует ремонта, а энергию способна вырабатывать даже в условиях короткого светового дня и малой солнечной активности.
Фото 3. Белгородская солнечная электростанция.
В сентябре прошлого года в Яковлевском районе Белгородской области, на одном из полей аграрного региона, чуть больше тысячи гектаров заняла первая в России экспериментальная электростанция на солнечных батареях.
Энергии, которую вырабатывает электростанция, хватит, чтобы обеспечить светом жильцов всего одной трехкомнатной квартиры. Но энергетики невозмутимы: у них все по плану. Расчеты на бумаге сходятся с показателями на практике.
При максимальной мощности и ясной погоде энергии может быть достаточно и для освещения небольшого многоквартирного дома. Но пока все полученное с помощью батарей электричество вливается в общие сети теплогенерирующей компании, обеспечивающей светом весь регион. Правда, доля вырабатываемой здесь энергии относительно общего потока колеблется около отметки ноль. Но это не беда, утверждают инженеры, в этом деле главное – чистота эксперимента.
Системой, давно завоевавшей популярность на Западе, тут же заинтересовалось научное сообщество.
"Чтобы мы могли продавать с этих установок электроэнергию, она должна стоить 15-18 рублей за киловатт-час. То есть мы платим примерно 2,6 рубля, а так мы должны будем платить 18 рублей", – говорит кандидат технических наук Анатолий Виноградов.
2. Преимущества и проблемы и недостатки использования солнечной энергии
2.1 Преимущества.
Экономический потенциал развития солнечной энергетики в России составляет 120 млн. тонн условного топлива. В то же время есть ряд территорий (например, Алтай, Якутия), где достаточно большое количество населенных пунктов обеспечиваются электричеством за счет дизель генераторов. В этих регионах ведется строительство установок солнечной энергетики. Решается вопрос о возможности работы электростанций: как от солнечной энергии, так и от дизель генераторов.
Все это должно бесперебойно эксплуатироваться и корректно работать в суровых климатических условиях. Экономическая выгода от использования солнечной энергетики в таких районах России высока, потому что солнечные панели с себестоимостью на уровне 6–8 руб. за кВт там заменяют дизельные генераторы, стоимость которых в 4 раза выше. К тому же и срок службы солнечной панели составляет 50 лет, а дизель генератора — 5 лет.
2.2 Недостатки и проблемы.
На сегодняшний день солнечная энергетика в России является дорогостоящей, срок окупаемости солнечных электростанций составляет от 20 до 30 лет, потому большинство предприятий не могут себе позволить использовать этот источник энергии. Исключением являются объекты, расположенные на удаленных территориях, где стоимость прокладки коммуникаций или доставки топлива оказывается выше цены фотоэлектрического оборудования.
Согласно официальным данным, при текущем уровне добычи и потреблении разведанных запасов нефти в России хватит на 25 лет, природного газа — на 70 лет, поэтому вопрос возобновляемых источников энергии в нашей стране становится всё более актуальным. Одним из факторов, сдерживающих развитие отрасли, является то, что цена электрической энергии, необходимая для обеспечения окупаемости строительства объектов ВИЭ, значительно превышает текущую цену на электрическую энергию. Каждый год на компенсацию стоимости технических присоединений для возобновляемых источников энергии выделяется по 100 млн. руб., но этой суммы не хватает даже не в десятки, а в сотни раз.
В условиях экономического кризиса ожидается, что в России темпы развития солнечной энергетики будут довольно скромными. Их ускорение непросто осуществить в условиях текущей экономической ситуации. Наиболее перспективным направлением остается развитие генерации в труднодоступных районах страны.
3. Использование солнечных фотоэлектрических установок
Использование солнечных фотоэлектрических установок (СФЭУ) на основе кремния в средней полосе ограничено большим числом пасмурных дней в зимний период. Солнечная энергетика на основе кремния имеет перспективы развития в большинстве субъектов РФ. Кремний является сырьем для изготовления солнечных батарей. Это один из самых часто встречающихся элементов на земле. Содержание кремния в земной коре по массе стоит на втором месте после кислорода. В течение 30 лет один килограмм кремния в фотоэлектрической станции вырабатывает столько электричества, сколько 75 т нефти на тепловой электростанции. Сейчас общий объем установленной солнечной электрической мощности в России составляет 2 МВт.
Основным фактором, способствующим развитию российской солнечной энергетики, является наличие собственной технологической базы. В России планируется реализовать проекты производства поликремния суммарной мощностью 36 тыс. т в год, при ежегодном мировом производстве 100 тыс. тонн.
Фото 4. Солнечные батареи в Алтае.
Среди регионов России, в которых уже развита фотовольтаика, согласно данным Ассоциации солнечной энергетики РФ, выделяются Республика Алтай, Белгородская область и Краснодарский край. В первых двух субъектах расположены крупнейшие на сегодняшний день гибридные дизель солнечные установки мощностью по 100 кВт. Такая же установка в 2013 году была запущена в алтайском поселке Яйлю.
Кроме того, солнечная энергетика развивается на Дальнем Востоке. В 2013 году в Якутии в поселке Дулгалах Верхоянского улуса в составе автономного энергетического комплекса была запущена солнечная электрическая станция «Сахаэнерго». Она стала третьим объектом солнечной энергетики, построенным компанией «Сахаэнерго» и первым, возведенным севернее линии полярного круга. Она включает фотоэлектрические панели общей мощностью 20 кВт.
Одна из крупнейших в России солнечная электростанция находится в Республике Алтай в 2014 году была построена крупнейшая в России солнечная электростанция мощностью 5 МВт на площади 13 гектар. Более половины оборудования, задействованного при строительстве объекта, произведено на базе российских предприятий электротехнической и металлообрабатывающей промышленности.
Кош-Агачский район Республики Алтай является одним из самых солнечных мест в РФ. Здесь насчитывается более трехсот солнечных дней в году. Электростанция обеспечивает электроснабжение 1 тыс. домохозяйств. В 2015 году планируется ввести в строй и присоединить к электросетям вторую очередь Кош-Агачской СЭС аналогичной мощности. Кош-Агачская СЭС станет первым энергообъектом формирующейся сети солнечных электростанций, который создается в соответствии с постановлением Правительства РФ от 28 мая 2013 года № 449 «О механизме стимулирования использования возобновляемых источников энергии на оптовом рынке электрической энергии и мощности».
Алтай, по данным властей региона, сейчас испытывает нехватку энергомощностей в размере 100 МВт. Из них 20 МВт планируется создать за счет солнечной энергетики. На территории Республики предполагается еще построить солнечные электростанции общей мощностью 45 МВт. Кроме того, запланировано строительство автономных дизель солнечных электростанций в районах децентрализованного электроснабжения мощностью до 200 кВт, которые будут функционировать в рамках механизма энергосервисных контрактов. Первая подобная автономная гибридная дизель солнечная энергоустановка мощностью 100 кВт с 2014 года работает в Алтае. За год она позволила сэкономить 50 т дизельного топлива.
Завод солнечных панелей полного цикла. Компания «Хевел» — совместное предприятие Группы компаний «Ренова» и РОСНАНО — в текущем году запустила в промышленную эксплуатацию первый в России завод полного цикла по производству солнечных модулей. Суммарный объем инвестиций в создание производства и инженерной инфраструктуры составил 20 млрд. рублей.
На предприятии внедрена тонкопленочная технология производства солнечных модулей методом напыления нанослоев, что позволяет в 200 раз сократить использование кремния — основного сырья в солнечной энергетике.
Модули, производимые в Новочебоксарске, способны вырабатывать электричество даже в пасмурную погоду, что особенно актуально для российских условий. Продукцию «Хевел» планируется использовать при строительстве солнечных электростанций для энергоснабжения жителей удаленных районов. В планах компании — запуск в эксплуатацию солнечной электростанции суммарной мощностью более 500 МВт до конца 2020 года.
4. Влияние солнечной энергии на организм человека
Закаливание солнцем повышает устойчивость нервной системы, ускоряет обменные процессы организма, повышает сопротивляемость организма.
Улучшает кровообращение, улучшает работу мышечной системы, имеет тонизирующее воздействие почти на все функции организма.
Солнечная энергия в жизни человека играет огромную роль. Она дает человеку духовную и целительную информацию.
Заряжаться энергией солнца, когда мы смотрим на него, на рассвете и закате. В этот период организм наполняется положительной энергией.
В организме человека происходят изменения в клетках тела, меняется ДНК и структура крови, что благотворно влияет на самочувствие человека.
Лучи солнца помогают избавиться нам от уныния, повышают уровень выработки серотонина(гормон удовольствия).
Солнечный свет, дает нам прилив бодрости и энергии в течении дня, выработка мелатонина помогает расслабиться и решает проблемы со сном.
Закаливание солнцем может не только принести пользу, но и оказать очень большой вред, не допускайте ожогов, долгого пребывания на солнце в летний период.
Выходить на солнце в летний период, следует с 6.00-10.00 утром, вечером после 16.00- учитывая возраст человека, состояние его здоровья, климатические условия и т.д.
Как начать работать с энергией солнца?
Найдите позу, в которой вы чувствуете себя расслабленным, направьте ладони рук к направлению солнца, закройте глаза и почувствуйте как энергия солнца проходит сквозь ваше тело, от макушки до кончиков пальцев ног.
В местах, где есть больные органы, мысленно направляйте лучи солнца на проблемный участок. Процесс должен приносить удовольствие. Во время упражнения старайтесь думать только о положительных моментах, можно включать спокойную музыку.
Наполняйтесь солнечной энергией не менее 10 минут в день, независимо от времени года.
Многие ошибочно полагают, что в зимний период, лучи солнца не имеют такого благоприятного воздействия, как в летний период.
Солнечная энергия не зависит от времени года, и оказывает положительное влияние на организм человека в любой период.
5. Заключение.
В ходе проделанной работы цель, поставленная в проекте, была достигнута, все поставленные задачи – выполнены. В результате мы пришли к выводу, что будущее за альтернативными источниками энергии, в частности за солнечной энергией.
Список использованных источников:
1.https://www.cdu.ru/tek_russia/articles/6/41/
2. https://zen.yandex.ru/media/id/5edcc1b37f274d488064faf9/vliianie-solnechnoi-energii-na-organizm-cheloveka-5fb10a4f1064d30b6cd0b0a9
3.https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%B5%D1%87%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%8D%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0
4. https://www.vesti.ru/article/2042766
5.https://www.cdu.ru/tek_russia/articles/6/41/