XXIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование возобновляемых источников энергии
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальность работы. B настоящее время почти полтора миллиарда человек из общего населения земли не имеют доступа к электрической энергии. Однако, на сегодняшний день имеется множество возможностей, чтобы обеспечить доступ к возобновляемым источникам энергии, поскольку такие источники как ветер, солнце, вода они не истощаемые и с их помощью можно только развивать электроэнергетику.
С учетом растущего спроса на энергию, вызванного, в первую очередь, демографическим ростом и увеличением потребления в развивающихся странах, человечество вынуждено искать пути оптимального обеспечения себя энергией, в том числе, за счет вовлечения в хозяйственное использование все новых ее источников.
Полагаю, что применение возобновляемых источников стоит развивать в России поскольку множество существует рекреационных объектов где не всегда проведешь электричество и поэтому наличие устройств на солнечных батареях будет эффективным инструментом для удобств человека, например, зарядить телефон, включить лампочку, зарядить пауэрбанк и т.д. Также в случае чрезвычайной ситуации человек способен будет вызвать на помощь.
Целью данной работы является проведение исследования возобновляемых источников энергии.
Задачи данного исследования:
-
Изучить солнечную энергию как возобновляемый источник энергии;
-
Рассмотреть разновидности и принцип работы солнечной энергии.
Гипотеза: Возможность замены электроэнергии, полученной с помощью ТЭЦ, на возобновляемую солнечную энергию.
-
Солнечная энергия как возобновляемый источник энергии
Солнечная энергия является самым богатым из всех энергетических ресурсов и может использоваться даже в пасмурную погоду. Скорость, с которой солнечная энергия улавливается Землей, примерно в 10 тыс. раз превышает скорость, с которой человечество потребляет энергию.
Солнечные технологии могут обеспечивать тепло, охлаждение, естественное освещение, электричество и топливо для множества применений. Эти технологии позволяют преобразовывать солнечный свет в электрическую энергию с помощью фотоэлектрических панелей либо зеркал, концентрирующих солнечное излучение.
Хотя не все страны в равной мере обеспечены солнечной энергией, каждая из них может внести существенный вклад в энергетический баланс за счет энергии солнца как таковой.
В последнее десятилетие стоимость производства солнечных панелей резко упала, что сделало их не только доступным, но и зачастую самым дешевым способом получения электроэнергии. Солнечные панели имеют срок службы около 30 лет и выпускаются в разных оттенках в зависимости от типа материала, используемого при их производстве.
-
Принцип работы солнечной батареи
Солнечная батарея - объединение фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток, в отличие от солнечных коллекторов, производящих нагрев материала -теплоносителя.
Солнечные панели представляют собой несколько фотоэлементов, объединенных между собой. Они преобразуют солнечную энергию в постоянный электрический ток благодаря фотоэлектрическому эффекту.
Солнечные батареи состоят не из одного элемента, а из нескольких сразу, так как одной панели бывает недостаточно, чтобы снабдить энергией целых дом. Поэтому несколько штук собирают в одну конструкцию. Причем от типа соединения панелей зависит итоговый показатель. Так, если они соединены последовательно, увеличивается напряжение сети. При параллельном соединении увеличивается сила тока.
Общая мощность солнечной батареи зависит от числа соединенных между собой элементов. Чем их больше — тем больше и энергии.
Батареи имеют довольно хрупкую поверхность. Поэтому нуждаются в дополнительной защите. Так что фотоэлементы прикрывают специальным корпусом со стеклом. Через него свободно проникает свет, но при этом никаких механических и химических воздействий не производится. Целостность не нарушается.
Принцип работы солнечной батареи заключается в эффекте полупроводников. Кремний является одним из самых эффективных полупроводников, из известных человечеству на данный момент. При нагревании фотоэлемента электроны из атомов кремния высвобождаются, после чего их захватывают атомы нижней пластины. Электроны стремятся вернуться в свое первоначальное положение. Соответственно, с нижней пластины электроны двигаются по проводникам, отдавая свою энергию на зарядку аккумуляторов и возвращаясь в верхнюю пластину.
Рисунок 1. Принцип работы солнечных батарей
Использование солнечных батарей.
- Портативная электроника;
- Электромобили;
- Авиация;
- Энергообеспечение зданий;
- Энергообеспечение населённых пунктов;
- Дорожное покрытие;
- Использование в космосе;
Преимущества и недостатки солнечных батарей
Преимущества:
1) Бесплатно. Одно из главных преимуществ энергии солнца – это отсутствие платы за неё. Солнечные панели делаются с использованием кремния, запасов которого достаточно много;
2) Нет побочного действия. Процесс преобразования энергии происходит без шума, вредных выбросов и отходов, воздействия на окружающую среду. Этого нельзя сказать о тепловой, гидро и атомной энергетике;
3) Безопасность и надёжность. Оборудование долговечное. После 20─25 лет использования фотоэлементы выдают до 80 процентов от своего номинала;
4) Рециркуляция. Солнечные панели полностью перерабатываются и могут быть снова использованы в производстве;
5) Простота обслуживания. Оборудование довольно просто разворачивается и работает в автономном режиме;
6) Хорошо адаптированы для использования в частных домах;
7) Хорошо интегрируются в качестве вспомогательных систем энергоснабжения.
Недостатки:
1) Эффективность зависит от времени суток и погоды. Нерентабельно использовать в высоких широтах;
2) Требуется аккумулировать преобразованную энергию;
3) Первоначальные вложения высокие;
4) Периодически нужно делать очистку панелей от загрязнения;
5) Для размещения требуется большая площадь;
6) Некоторые фотоэлементы имеют в своём составе Pb, Cd, мышьяк, что усложняет и переработку;
Низкий КПД.
Эффективность работы солнечных батарей.
На эффективность работы солнечных батарей оказывают влияние несколько факторов:
- температура;
- угол падения солнечных лучей;
- чистота поверхности;
- отсутствие тени;
- погода.
При работе фотоэлементы нагреваются, и это отрицательно сказывается на эффективности их работы. Чтобы избежать потерь при преобразовании энергии следует оставлять пространство между панелями и поверхностью, где они закреплены. Тогда под ними будет проходить поток воздуха и охлаждать их.
В идеале угол падения солнечных лучей на поверхность фотоэлемента должен быть прямым. При прочих равных в этом случае будет максимальная эффективность.
Несколько раз в год обязательно нужно мыть и протирать панели. Ведь КПД фотоэлектрических панелей прямо зависит от падающего света, а значит, от чистоты поверхности. Если на поверхности есть загрязнения, то эффективность солнечных батарей будет снижаться.
Важно сделать правильную установку батарей. Это означает, что на них не должна падать тень. Иначе эффективность системы в целом будет сильно снижаться. Крайне желательно устанавливать фотоэлементы на южной стороне.
Что касается погоды, то от неё также зависит очень многое. Чем ближе ваш регион к экватору, тем большая плотность излучения будет попадать солнечного излучения на панели.
Низкий КПД солнечных батарей является их основным недостатком. Квадратный метр современных фотоэлементов обеспечивает выработку 15─20 процентов от мощности солнечного излучения, попадающего на него. И это при самых благоприятных условиях
эксплуатации. В результате для обеспечения необходимого энергоснабжения требуется установка множества солнечных панелей большой площади.
Разработки, направленные на увеличение КПД солнечных батарей
В последние годы учёные по всему миру заявляют о разработке технологий, увеличивающих КПД солнечных модулей. Не все из них являются применимыми к реальным условиям эксплуатации, но некоторые из них заслуживают внимания. Так специалисты Sharp разработали фотоэлектрические элементы с эффективностью 43,5 процента. Такое увеличение было получено благодаря установке линзы, которая фокусирует получаемую энергию прямо в элементе.
Физики из Германии разработали фотоэлемент, площадь которого всего несколько квадратных миллиметров. Он состоит из четырёх слоёв полупроводников. Полученный ими КПД составил 44,7 процента. Здесь эффективность была увеличена за счёт размещения в фокус вогнутого зеркала.
В Стэнфорде был получен жаропрочный композит, который может быть использован для увеличения производительности фотоэлектрических панелей. В теории можно получить КПД близкий к 80 процентам. Этот композитный материал может перевести высокочастотное излучение в инфракрасный спектр, за счёт чего резко увеличивается эффективность.
Другие британские специалисты разработали технологию, которая увеличивает эффективность фотоэлементов на 22 процента. На гладкой поверхности гибких панелей они нанесли алюминиевые шипы наноразмера. Алюминий рассеивает солнечный свет, поэтому был выбран он. В результате увеличивается количество энергии солнца, которое поглощается фотоэлементом. За счёт этого удалось добиться увеличения эффективности.
-
Принцип работы солнечного коллектора
Солнечный коллектор использует солнечную энергию для нагрева воды вместо электричества и газа и является более экономичным, так как снижает стоимость тепловой энергии.
Солнечный коллектор изготовлен из закаленного стекла с низкой отражающей способностью, сквозь которое проходят солнечные лучи.
В коллекторе находится поглощающая решетка, изготовленная из медных труб, припаянных к высеченному листу меди. Ультрафиолетовые лучи, попадая в коллектор и вследствие преломления, возникающего внутри него, меняют свою длину волны и вместе с этим способность покинуть коллектор. Благодаря возникающему при этом парниковому эффекту температура в коллекторе увеличивается. Вследствие данного процесса вода в основном контуре, проходящем через медные трубы, нагревается.
Движение воды провоцирует разница температур между холодной водой в резервуаре и горячей водой в коллекторе. Горячая вода снижает свою плотность, увеличивается в объеме и способствует увеличению давления. Проходя через охлаждающий резервуар, вода сжимается, и происходит снижение давления. Вода под действием гравитации покидает аккумулирующий резервуар через обратный клапан. Движение воды продолжается до тех пор, пока существует разница в температурах в коллекторе и резервуаре. Как только температура сравняется, движение прекратится, а давление в контуре вырастет. После забора горячей воды из системы и наполнением обычной водопроводной водой, температура воды снижается и движение возобновляется.
Рисунок 2.Солнечный коллектор
Практическая часть
B пгт. Агинское менее используют солнечные коллекторы, однако данная новинка уже пользуется во многих домах для дачного душа, либо использования теплой воды в домашнем быту, также для полива огорода. Считаю, что использование солнечных коллекторов в частных домах заменит водонагревательные элементы и сэкономит электричество.
Выглядит данная система так, однако данная установка заводская, но есть уже собственноручные солнечные коллекторы.
Такую разработку можно легко сделать из пропиленовых труб и резиновых шлангов используя металлические хомуты. Данную конструкцию можно устанавливать на крышах теплиц, банных участков, чтобы вода могла нагреваться, в данном случае также устанавливают насосы, либо бочку с водой. Полагаю, что данная конструкция позволяет без учета электроэнергии путем солнечного света и тепла обеспечить нагревание воды в теплое время суток.
Эта схема обычно предусматривает естественную циркуляцию воды, и в таком случае батарея-коллектор устанавливается ниже на 800 ÷ 1000 мм уровня емкости, куда будет поступать горячая вода – это должно обеспечиться разностью в плотности холодной и нагретой жидкости. Для соединения коллектора с баком используются трубы диаметром не меньше, чем ¾ дюйма. Для сохранения воды в аккумулирующей емкости в горячем состоянии, которого она достигнет от нагрева дневным солнцем, стенки необходимо хорошенько утеплить, например, минеральной ватой толщиной в 100 мм и полиэтиленом (если над бойлером не будет устроена крыша). Но все же лучше предусмотреть для емкости стационарное укрытие, так как если утеплитель промокнет от дождя, то он существенно снизит свои термоизоляционные свойства.
Естественная циркуляция не слишком хороша для использования в системе с солнечным коллектором, так как создается слабая инертность движения воды в контуре. А если батарея и бак находятся достаточно далеко друг от друга, то вода, пройдя этот путь, будет постепенно остывать. Поэтому, для увеличения эффективности, часто устанавливается циркуляционный насос. Этот вариант пригоден для согрева воды только лишь в теплую половину года, а на зиму воду из системы придется обязательно слить, иначе, замерзая, она запросто разорвет трубы.
B зимний период времени для обогрева дома используют антифриз в трубах, поскольку вода замерзает. Данная система выглядит следующим образом:
Заключение
Таким образом, проведя исследование, стоит отметить, что эффективность возобновляемой солнечной энергии является ее постоянство, однако среди недостатков является переменчивость, а именно из-за многих природных факторов: снижение температуры, наличие ветра, дождливой погоды эффективность устройств может быть низкой. При хорошей теплой солнечной погоде производность устройств является эффективной, при этом большинство дачников уже активно используют данный вид энергии для зарядки телефонов, подогрева воды в душ в частном доме и т.д. Полагаю, что в скором будущем развитие солнечной энергетики позволит использовать альтернативные возможности и сможет заметить электроэнергетику, поскольку солнечная энергия это бесплатная энергия, которая позволяет уже заменять некоторые возможности электроэнергетики.
Солнечные батареи и коллекторы могут использоваться во многих отраслях производства, не нанося значительного вреда экологии. Конечно, аппараты, работающие на солнечных батареях не столь мощны, как работающие на топливе, но наука не стоит на месте, и я надеюсь, что в ближайшее время придёт эпоха экологически чистого транспорта.
В ходе работы пришёл к выводу что, солнечные батареи, а также коллекторы являются наиболее современным и практичным источником энергии подходящим для работы транспортных средств. Конечно, этот источник энергии имеет недостатки, но их можно устранить путем усовершенствования конструкции, при условии достаточного финансирования и с учетом погодных условий каждой страны.
Список литературы
-
Алхасов А.Б. Возобновляемые источники энергии: Учеб. пособие. – М.: Изд. дом МЭИ, 2011. – 272 с.
-
Дидиков А.Е. Исследование альтернативных источников энергии. Система компетентностно-ориентированных заданий (ролевые игры): Учеб.-метод. пособие. – СПб.: Университет ИТМО, 2016. – 75 с.
-
Солнечная энергия [Электронный ресурс] : Сборник научно-познавательных статей и публикаций —Электрон.дан. —Режим доступа : http://nauka.relis.ru, свободный —Загл. с экрана
-
Солнечная Энергетика: перспективы в мире и состояние в России [Электронный ресурс]: Электронный журнал компании «Экологические системы»/ [email protected]—Электрон.дан. —Режим доступа: http://esco-ecosys.narod.ru, свободный —Загл.с экрана
-
Современные научные исследования и инновации. 2012. № 5 [Электронный ресурс]. URL: https://web.snauka.ru/issues/2012/05/11979 (дата обращения: 10.04.2024).
-
Щукина Т.В. Солнечное теплоснабжение зданий и сооружений. – Воронеж, 2020. – 121 с.