XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Поворотные солнечные панели на крышах многоэтажных домов

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Бек Л.Э. 1Колчанов А.А. 1Аллагулов С.Р. 1Якушкин Н.М. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Бек М.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Работа в формате PDF

2.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Альтернативная энергетика получает все большую популярность в современном мире, поскольку она позволяет уменьшить зависимость от ископаемых топлив и снизить негативное воздействие на окружающую среду. Солнечная энергия является одним из наиболее доступных и экологически чистых источников энергии, и солнечные батареи широко используются для генерации электричества.

Однако, эффективность солнечных батарей может быть существенно увеличена при установке поворотных солнечных панелей на крышах высотных домов. Поворотные панели имеют возможность отслеживать движение солнца в течение дня, максимизируя получение солнечной энергии. Это позволяет повысить выходную мощность солнечной энергии и снизить энергетические затраты на освещение и отопление высотных домов.

Исследовательская работа посвящена поворотным солнечным панелям, установленным на крышах высотных зданий. Солнечная энергия является чистым источником энергии, который можно использовать для удовлетворения энергетических потребностей высотных зданий. Однако, эффективность солнечных панелей может значительно повыситься, если они имеют возможность поворачиваться и выравниваться по направлению солнца.

Целью данной работы является построение модели из LEGO, демонстрирующей принцип работы поворотных солнечных панелей на крышах высотных домов.

Задачи:

1. Изучение принципов работы солнечных панелей и поворотных механизмов.

2. Подбор и адаптация Lego-деталей, необходимых для построения модели.

3. Разработка конструкции модели, включающей в себя крышу высотного здания и поворотные солнечные панели.

4. Создание механизма для поворота солнечных панелей, который будет имитировать движение панелей в реальной системе.

5. Тестирование и оптимизация модели для достижения оптимальной эффективности работы поворотных солнечных панелей.

6. Анализ полученных результатов и оценка эффективности использования поворотных солнечных панелей на крышах высотных домов.

Глава 1. Виды альтернативной энергии.

В последнее время всё более широкое распространение, помимо традиционных, получают альтернативные источники энергии. Это возобновляемые энергетические ресурсы, которые получают благодаря использованию гидроэнергии, энергии ветра, солнечной энергии, геотермальной энергии, биомассы и энергии приливов и отливов. В отличие от ископаемых видов топлива — например, нефти, природного газа, угля и урановой руды, эти источники энергии не истощаются, поэтому их называют возобновляемыми[4].

1. Энергия ветра

Использование ветра в качестве движущей силы — давняя традиция. Ветряные мельницы использовались для помола муки, лесопильных работ) и в качестве насосной или водоподъемной станции(рисунок 1.1, Приложения). Современные ветрогенераторы вырабатывают электроэнергию за счет энергии ветра. Сначала они превращают кинетическую энергию ветра в механическую энергию ротора, а затем в электрическую энергию.

Ветроэнергетика является одной из самых быстроразвивающихся технологий возобновляемой энергетики.

2. Энергия воды

Еще в древнем Египте и Римской империи энергия воды использовалась для привода рабочих машин, в том числе мельниц. В средние века водяные мельницы применялись в Европе на лесопильных и целлюлозно-бумажных предприятиях. С конца XIX века энергию воды активно используют для получения электроэнергии(рисунок 1.2, Приложения).

3. Геотермальная энергия

Геотермальная энергия использует тепло Земли для производства электричества. Температура недр позволяет нагревать верхние слои Земли и подземные водоемы. Извлекают геотермальную энергию грунта с помощью мелких скважин — это не требует больших капиталовложений. Особенно эффективна в регионах, где горячие источники расположены недалеко к поверхности земной коры(рисунок 1.3, Приложения).

4. Биоэнергетика.

Биоэнергетика универсальна. Тепло, электричество и топливо могут производиться из твердой, жидкой и газообразной биомассы. При этом в качестве возобновляемого сырья используются отходы растительного и животного происхождения(рисунок 1.4, Приложения).

5. Энергия приливов и отливов

Приливы и волны — еще один способ получения энергии. Они заставляют вращаться генератор, который и отвечает за выработку электричества. Таким образом для получения электроэнергии волновые электростанции используют гидродинамическую энергию, то есть энергию, перепад давления и разницу температур у морских волн. Исследования в этой области еще ведутся, но специалисты уже подсчитали — только побережье Европы может ежегодно генерировать энергии в объеме более 280 ТВт·ч, что составляет половину энергопотребления Германии(рисунок 1.5, Приложения).

6. Солнечная энергия

Солнце — главный источник энергии на Земле, ведь около 173 ПВт (или 173 млн ГВт) солнечной энергии попадает на нашу планету ежегодно, а это более чем в 10 тыс. раз превышает общемировые потребности в энергии. Фотоэлектрические модули на крыше или на открытых территориях преобразуют солнечный свет в электрическую энергию с помощью полупроводников — в основном, кремния. Солнечные коллекторы вырабатывают тепло для отопления и производства горячей воды, а также для кондиционирования воздуха(рисунок 1.6, Приложения).

Солнечные панели могут вырабатывать энергию и в пасмурную погоду, и даже в снегопад.

В нашем проекте мы решили обратиться к проблематике использования солнечной энергии, а в частности использования солнечных батарей, которые преобразовывют энергию солнца в электрическую. Ведь этот вид энергии является самым распространённым и доступным в любой точке земного шара.

Глава 2. Солнечные батареи. Виды и принцип действия.

2.1 Солнечные батареи. Что это?

Солнечная батарея - бытовой термин, использующий в разговорной речи или не научной прессе. Обычно под термином «солнечная батарея» подразумевается несколько объединённых фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) - полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток[5].

В отличие от солнечных коллекторов, производящих нагрев материала-теплоносителя, солнечная батарея производит непосредственно электричество. Хотя, для производства электричества из солнечной энергии используются и солнечные коллекторы: собранную тепловую энергию можно использовать и для вырабатывания электричества. Крупные солнечные установки, использующие высококонцентрированное солнечное излучение в качестве энергии для приведения в действие тепловых и др. машин (паровой, газотурбинной, термоэлектрической и др.).

Различные устройства, позволяющие преобразовывать солнечное излучение в тепловую и электрическую энергию, являются объектом исследования гелиоэнергетики (от гелиос греч., Helios - солнце). Производство фотоэлектрических элементов и солнечных коллекторов развивается быстрыми темпами в самых разных направлениях. Солнечные батареи бывают различного размера: от встраиваемых в микрокалькуляторы, до занимающих крыши автомобилей и зданий.

Преобразование энергии в ФЭП основано на фотоэлектрическом эффекте(рисунок 2.1.1, Приложения). Фотоэлектрический эффект возникает в солнечном элементе при его освещении светом в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП , среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость. Она обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.

2.2 Классификация солнечных батарей

Классификация солнечных батарей происходит по типу рабочего слоя и конструктивным особенностям. Различают панели жесткие и гибкие[6].

Последние занимают все более широкую нишу благодаря универсальной установке: он и легко устанавливаются на любые поверхности, в том числе на вертикальные – фасады зданий. При этом они совершенно не портят архитектуру, а напротив привносят в него некую изюминку.

По типу фотоэлектрического слоя их подразделяют на:

• Кремниевые(рисунок 2.2.1, Приложения). К ним относятся поли –, монокристаллические и аморфные;

• теллурий-кадмиевые(рисунок 2.2.2, Приложения). Их собирают на основе индия, меди и галлия;

• полимерные;

• органические;

• с использованием арсенида галлия;

• комбинированные и многослойные.

• 2.3 Проблемы при использовании солнечных батарей

Солнечные батареи крупного размера, как и солнечные коллекторы, очень широко используются в тропических и субтропических регионах с большим количеством солнечных дней. Особенно популярны в странах Средиземноморья, где их помещают на крышах домов. Например, новые дома Испании с марта 2007 года должны быть оборудованы солнечными водонагревателями, чтобы самостоятельно обеспечивать от 30 % до 70 % потребностей в горячей воде, в зависимости от места расположения дома и ожидаемого потребления воды. Нежилые здания (торговые центры, госпитали и т. д.) должны иметь фотоэлектрическое оборудование.

Однако в последнее время использование солнечных батарей получает широкое распространение на территории Российской Федерациии. При строительстве загородных домов, домиков на дачных участках, теплиц, различных фермерских построек все чаще стали применяться автономные системы электрообеспечения. Солнечные батареи обеспечивают независимость от общих электрических сетей. Да и в городах в частном секторе нередко можно увидеть на крышах домов солнечные панели домашних электростанций. При этом каждое здание строится таким образом, чтобы солнечные панели были установлены в месте, максимально освещаемом солнцем.

Эффективность современных гелиевых систем в среднем не превышает 18% — 20%. У лучших образцов эффективность может достигать 25%. В 2014 году ученые Австралийского центра UNSW по усовершенствованию фотовольтаики сообщили, что им удалось добиться эффективности солнечных батарей в 40%.

При этом нужно понимать, что измерение величины эффективности производится, когда гелиевая панель освещается солнцем под прямым углом. Если солнечная батарея закреплена стационарно, то в течение дня, когда солнце перемещается по небосводу, период прямого освещения батареи солнцем будет относительно небольшим. И поэтому эффективность даже самых совершенных солнечных панелей будет снижаться.

Для того чтобы минимизировать снижение эффективности гелиевых систем, солнечные панели должны устанавливаться на поворотных модулях, которые позволят в течение всего светового дня ориентировать батареи на солнце. Такое поворотное устройство, на котором закреплена несущая конструкция с одной или несколькими солнечными панелями, называется трекером.

Он предназначен для того, чтобы следить за солнцем, и, в зависимости от его положения, ориентировать на него солнечную панель. Это устройство, в зависимости от исполнения, включает в себя один или два датчика слежения за солнцем, а также поворотный механизм. Трекер должен быть установлен в хорошо освещаемом солнцем месте на земле, на стационарной станине, либо на мачте, которая поднимет трекер на такую высоту, чтобы солнечная батарея всегда была освещена солнцем.

Даже простейшее поворотное устройство с системой слежения за солнцем позволяет получить максимальный коэффициент полезного действия от гелиевых батарей. Как показали исследования, при отсутствии должной ориентации солнечных панелей на солнце теряется до 35% мощности. Поэтому, чтобы выйти на запланированную мощность в случае неподвижного крепления фотоэлементов, приходится устанавливать большее количество панелей.

Глава 3: Интеграция солнечных панелей с поворотными механизмами и реагирующими на солнце датчиками на крышах высотных зданий в городских районах

В последние годы растущий спрос на возобновляемые источники энергии привел к повышенному интересу к интеграции солнечных батарей в городские районы. Высотные здания, обычно встречающиеся в городах, предлагают обширные пространства на крышах, которые можно использовать для выработки солнечной энергии. Однако для оптимальной эффективности солнечные панели должны быть расположены таким образом, чтобы улавливать солнечный свет в течение дня. В этой главе исследуется потенциал использования солнечных панелей с поворотными механизмами и датчиками, реагирующими на солнце, на крышах высотных зданий для максимального увеличения производства солнечной энергии в городских условиях.

3.1 Поворотный механизм панели солнечных батарей:

Солнечные батареи обеспечивают независимость от общих электрических сетей. Да и в городах в частном секторе нередко можно увидеть на крышах домов солнечные панели домашних электростанций[2].

Эти панели могут быть с моно- и поликристаллическими кремниевыми структурами, могут быть построены на базе батарей, выполненных по аморфной или микроморфной технологии, могут быть даже использованы солнечные батареи, выполненные по технологии «Moth Eye» («Глаз мотылька»). При этом каждое здание строится таким образом, чтобы солнечные панели были установлены в месте, максимально освещаемом солнцем.

Для того чтобы минимизировать снижение эффективности гелиевых систем, солнечные панели должны устанавливаться на поворотных модулях, которые позволят в течение всего светового дня ориентировать батареи на солнце. Такое поворотное устройство, на котором закреплена несущая конструкция с одной или несколькими солнечными панелями, называется трекером.

Он предназначен для того, чтобы следить за солнцем, и, в зависимости от его положения, ориентировать на него солнечную панель. Это устройство, в зависимости от исполнения, включает в себя один или два датчика слежения за солнцем, а также поворотный механизм. Трекер должен быть установлен в хорошо освещаемом солнцем месте на земле, на стационарной станине, либо на мачте, которая поднимет трекер на такую высоту, чтобы солнечная батарея всегда была освещена солнцем.

Даже простейшее поворотное устройство с системой слежения за солнцем позволяет получить максимальный коэффициент полезного действия от гелиевых батарей(рисунок 3.1.1, Приложения). Как показали исследования, при отсутствии должной ориентации солнечных панелей на солнце теряется до 35% мощности. Поэтому, чтобы выйти на запланированную мощность в случае неподвижного крепления фотоэлементов, приходится устанавливать большее количество панелей.

Промышленностью выпускается несколько видов систем управления поворотом солнечных батарей. Это достаточно дорогие (до 100000 рублей) устройства, которые могут управлять положением сразу нескольких гелиевых панелей.

Поскольку солнце в течение дня перемещается не только по горизонтали, но и по вертикали, то эти системы управления отслеживают оба изменения положения и, в соответствии с полученной информацией, выдают команды на поворот панели вокруг горизонтальной или вертикальной осей. В общем случае такая система управления состоит из солнечного датчика, преобразователя (П) сигнала с этого датчика, усилителя (У) сигнала, микроконтроллера (МК), устройства управления двигателем (УУД), самого двигателя и, наконец, непосредственно рамы, на которой крепится гелиевая панель.

Характерно, что для управления поворотом в обеих осях используется одна и та же схема. Различны только датчики положения солнца и двигатели. Простейший датчик положения солнца состоит из двух фотодиодов, разделенных непрозрачной перегородкой.

В зависимости от того, за каким перемещением следит этот датчик, перегородка устанавливается горизонтально или вертикально, но обязательно направлена строго на солнце. Пока оба фотодиода освещаются одинаково, сигналы, поступающие с них, равны. Как только солнце переместится настолько, что один из фотодиодов окажется в тени перегородки, происходит разбаланс сигналов и система управления вырабатывает соответствующую команду на поворот солнечной батареи.

3.2 Преимущества и недостатки:

Интеграция солнечных панелей с поворотными механизмами и датчиками, реагирующими на солнце, дает ряд преимуществ и недостатков [1]:

• Повышенная выходная мощность:

Постоянно отслеживая положение солнца, солнечные панели могут поддерживать оптимальный угол падения, что приводит к увеличению выхода энергии. Это гарантирует, что панели улавливают максимальное количество солнечного света, доступного в течение дня, что значительно улучшает общую выработку энергии.

• Повышение эффективности и рентабельности:

Повышенная выработка энергии солнечными панелями приводит к повышению эффективности, что обеспечивает более высокую рентабельность инвестиций (ROI) для владельцев зданий. Это особенно важно в городских районах, где нехватка места часто ограничивает количество устанавливаемых солнечных панелей.

• Экологичность:

Солнечная энергия является чистым и возобновляемым источником энергии, и ее широкое распространение помогает сократить выбросы парниковых газов и зависимость от ископаемого топлива. Интегрируя солнечные панели на крышах высотных зданий, городские районы могут способствовать созданию более устойчивого и экологически чистого энергетического ландшафта.

• Использование неиспользуемых площадей:

Крыши высотных зданий часто представляют собой малоиспользуемые пространства, которые можно превратить в продуктивные площади. Интегрируя солнечные панели, эти пространства могут генерировать чистую энергию, не занимая ценную площадь земли и не изменяя существенно существующий городской ландшафт.

3.3 Проблемы реализации

Несмотря на многочисленные преимущества, существуют проблемы, связанные с интеграцией солнечных панелей с поворотными механизмами и датчиками, реагирующими на солнце, на крышах высотных зданий. Некоторые из этих проблем включают в себя[3]:

• Структурные соображения:

Дополнительный вес и ветровая нагрузка, создаваемые системами солнечных панелей, должны быть тщательно оценены, чтобы обеспечить структурную целостность здания. Инженерные оценки необходимы для обеспечения того, чтобы здание могло выдерживать дополнительные нагрузки и силы, создаваемые системой солнечных батарей.

• Техническое обслуживание и доступность:

Регулярное техническое обслуживание солнечных панелей, поворотных механизмов и датчиков имеет решающее значение для оптимальной работы. Доступ к крышам высотных зданий может быть сложным, требуя специального оборудования и обученного персонала для выполнения задач по техническому обслуживанию и ремонту.

• Соображения стоимости:

Интеграция систем солнечных панелей с поворотными механизмами и датчиками, реагирующими на солнце, может потребовать более высоких затрат по сравнению с установками стационарных панелей. Первоначальные инвестиции, включая стоимость оборудования, установки и обслуживания, необходимо оценивать с точки зрения долгосрочных выгод и экономии энергии.

Интеграция солнечных панелей с поворотными механизмами и датчиками, реагирующими на солнце, на крышах высотных зданий в городских районах представляет собой многообещающее решение для максимального увеличения производства солнечной энергии. Динамически отслеживая движение солнца, панели могут улавливать больше солнечного света, что приводит к увеличению выхода энергии и повышению эффективности. Несмотря на проблемы с внедрением, потенциальные преимущества этой технологии делают ее ценной для городских районов, стремящихся увеличить свои мощности по возобновляемым источникам энергии при эффективном использовании доступных пространств на крышах.

Глава 4. Практическая часть

4.1 Этапы построения модели и механизмы

Изучив информацию о поворотных солнечных панелях, наша команда решила создать модель двора с домами, на крышах которых находятся поворотные солнечные панели.

Первым этапом в построении модели стала установка двух базовых пластин в качестве основы для будущего проекта.

В качестве примера мы использовали двор одного из участников команды(рисунок 4.1.1, Приложения).

На втором этапе были собраны два дома из кубиков Lego( рисунок 4.1.2, Приложения). Мы использовали разные цвета и дизайны, чтобы сделать их уникальными( рисунок 4.1.3, Приложения). Так же не забыли оставить достаточно места на крышах для вращающихся солнечных батарей.

На третьем этапе необходимо было придумать механизм для поворота солнечных батарей. Сначала мы установили простую угловую коническую передачу, работающую от мотора. Но скорость поворота панелей оказалась слишком высокой, и мы решили использовать червячную передачу для снижения скорости (рисунок 4.1.4, Приложения).

От мотора, который спрятан внутри дома идет угловая зубчатая передача (рисунок 4.1.5, Приложения). Угловая зубчатая передача вращает ось, которая идет на крышу дома. На крыше дома установлена червячная передача, которая вращает первую панель. Первая панель при помощи осей и угловой конической передачи, передает движение второй солнечной панели (рисунок 4.1.6, Приложения).

На втором доме мы установили третью солнечную панель, она работает без мотора на простых шарнирах. В центре двора мы установили карусель, в основе которой так же была угловая коническая передача (рисунок 4.1.7, Приложения).

От второго мотора идет длинная зубчатая передача, которая приводит в движение карусель и реечную передачу для имитации движения солнца по небосводу (рисунок 4.1.8, Приложения).

4.2 Описание программы

Для создание проекта использовались датчики и моторы конструктора LegoWEDO 2.0. Поэтому мы использовали подходящее программное обеспечение.

Программа запускается с датчика расстояния и приводит в движение мотор 1, который приводит в движение длинную зубчатую передачу. Зубчатая передача приводит в движение карусель и реечную передачу, на конце пластины с рейками прикреплено солнце. При достижении солнцем определенной точки в программе передается сообщение для мотора 2, который поворачивает солнечные батареи, с обратной стороны которых прикреплен датчик наклона. Как только панель повернулась достаточно, а датчик наклона принял нужно положение, передается сообщение мотору 1, и солнце на реечной передаче снова отдаляется от домов, а поворотные солнечные панели, работающие от мотора 2, поворачиваются вслед за солнцем (рисунок 4.2.1, Приложения).

Заключение

Изучение возможности установки поворотных солнечных панелей, работающих при помощи датчиков освещенности, представляет собой важный и перспективный шаг в развитии использования возобновляемой энергии. Такие панели имеют ряд преимуществ, таких как повышение эффективности, оптимальное использование солнечного света и автоматическую адаптацию к изменениям освещенности.

Построение модели двора с домами и поворотными солнечными панелями позволило проиллюстрировать принцип работы такой системы и представить возможности ее интеграции. Использование Lego-деталей позволило легко визуализировать и адаптировать конструкцию под свои потребности.

Анализ возможностей интеграции поворотных солнечных панелей в России проявляет высокий потенциал развития данной технологии в стране. В России существует значительное количество солнечных ресурсов, и использование поворотных панелей может повысить эффективность генерации солнечной энергии, особенно в зонах с нестабильным освещением.

Однако, при интеграции такой технологии следует учитывать ряд факторов, включая климатические особенности, качество и прочность конструкций, экономическую целесообразность и долгосрочную устойчивость системы.

В целом, использование поворотных солнечных панелей является перспективным и инновационным решением для генерации солнечной энергии. Используя современные технологии и адаптируя их под конкретные условия, можно достичь оптимальной эффективности и оптимизировать использование возобновляемых источников энергии, в том числе в России.

Список использованных источников:

1. https://hi-tech.mail.ru/review/33552-dom_solnechnaya_battery/

2. https://solarb.ru/solnechnye-batarei-na-povorotnykh-modulyakh

3. https://ru.abcdef.wiki/wiki/Rooftop_photovoltaic_power_station

4. https://invlab.ru/texnologii/alternativnaya-energiya/

5. https://electric-220.ru/news/vidy_solnechnykh_batarej/2018-12-06-1615

6. https://sovet-ingenera.com/eco-energy/sun/vidy-solnechnyx-batarej.html

7. ПРИЛОЖЕНИЯ