XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Использование солнечной энергии в связи с изменением климатических условий Белгородской области

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Сидоренко М.Е. 1

---

1Областное государственное бюджетное общеобразовательное учреждение «Ровеньская средняя общеобразовательная школа с углубленным изучением отдельных предметов» Белгородской области

Мягкая С.Н. 1

---

1Областное государственное бюджетное общеобразовательное учреждение «Ровеньская средняя общеобразовательная школа с углубленным изучением отдельных предметов» Белгородской области

Работа в формате PDF

174.7 KB

1 Введение

В последнее время много говорят об экологически чистых, альтернативных источниках энергии, которые применяют в различных сферах жизнедеятельности человека: быт, сельское хозяйство, промышленность и т.д. А также большое внимание уделено изменению климата в различных регионах России. Я решил выяснить, действительно ли температурный режим на территории нашей Белгородской области претерпевает изменения, и эффективно ли использовать солнечную энергию в быту.

Целью моей работы является изучение эффективности использования солнечной энергии в быту при изменении климатических условий Белгородской области.

Объекты исследования:климат Белгородской области, солнечная энергия.

Задачи:

1. изучить данные метеорологических станций, характеризующие климатические показатели Белгородской области;

2. проанализировать проблемы энергоснабжения Белгородской области;

3. рассмотреть использование солнечной энергии в Белгородской области;

4. рассчитать количество солнечных батарей, которые необходимо установить для снабжения электрической энергией дома, и определить, насколько это будет экономически выгодно.

Гипотеза: изменение климата Белгородской области эффективно влияет на использование солнечной энергии в быту.

Методы исследования:

1. анализ, сравнение, описание;

2. анкетирование;

3. частично-поисковый;

4. изучение справочной и учебной литературы, Интернет-ресурсов.

В начале своей работы я провёл опрос учащихся 8-9-х классов по теме «Использование солнечной энергии», используя анкету, которую разработал самостоятельно (приложение 1).

Результаты анкетирования показали недостаточные знания обучающихся о проблемах энергоснабжения нашей области и об использовании энергии солнца на территории региона. Так, большинство учеников, принимавших участие в опросе, считают, что проблем энергоснабжения Белгородской области не существует. 82% обучающихся знакомы с альтернативными источниками электрической энергии, энергию солнца среди них назвали 92% опрошенных. Только 65% учащихся смогли назвать конкретные примеры применения солнечной энергии в промышленности, сельском хозяйстве и быту; 48% - знают об использовании солнечной энергии в нашем регионе.

2. Основная часть

2. 1. Изменение температурного режима на территории Белгородской области

По данным метеорологической станции Богородицкое-Фенино, за последние тридцать лет на территории Белгородской области наблюдаются следующие климатические изменения: рост среднегодовой температуры воздуха, повышение средних температур всех месяцев.

В последнем десятилетии сохраняются и даже усиливаются положительные аномалии температур в холодное время года, отмечается рост среднемесячных температур с июля по сентябрь (от 0,8 ⁰С в сентябре и до 1,4 ⁰С в августе). При этом июльские положительные аномалии достигли 4,9 ⁰С.

Высокие летние температуры воздуха и нерегулярное выпадение осадков приводят к засушливым явлениям в июле и августе. Лету на территории нашей области характерна жаркая и сухая погода, пасмурных дней мало.

Потепление климата сказалось и на продолжительности сезонов. Заметно сократился зимний период – зимы стали короче на полторы недели, весенний и осенний периоды увеличились, лето продолжительное. Продолжительность сияния солнца на территории Белгородской области составляет около 1800 часов в год.

2. 2. Проблемы энергоснабжения Белгородской области

Белгородский край – развитый индустриально-аграрный регион, в нём развиты горнодобывающая промышленность и производство строительных материалов. Сельское хозяйство области представлено мясомолочным животноводством, свиноводством, птицеводством, пчеловодством, растениеводством.

Все промышленные и сельскохозяйственные предприятия области потребляют большое количество электроэнергии, которая, в основном, идет от Курской и Нововоронежской атомных электростанций. По статистике, Белгородская область получает 14,8 миллиардов кВт∙ч в год из-за пределов области. Своими же топливными ресурсами область не обладает. На собственных генерирующих установках вырабатывается не более 10% электрической энергии.

Беря во внимание дефицит в области топливных ресурсов, необходимо искать пути решения проблемы электроснабжения в использовании альтернативных источников электрической энергии. Учитывая изменения климата Белгородской области, считаю целесообразным, в первую очередь использовать солнечную энергию. Территорией с более интенсивной солнечной иррадиацией в области являются её юго-восточные районы, и мой Ровеньский район, в частности, где количество осадков практически на треть меньше, чем на западе области. Возможно широкое использование солнечной энергетики в сочетании с традиционными способами получения энергии.

2. 3. Использование солнечной энергии в Белгородской области

Солнечная электростанция (СЭС).Изучив литературу по выбранной теме, я выяснил, что на территории Белгородской области уже функционирует электростанция, вырабатывающая электричество из энергии солнца (рисунок 1). Она была введена в эксплуатацию в сентябре 2010 года на хуторе Крапивенские Дворы Яковлевского района Белгородской области, расположена на одном из полей и занимает чуть больше тысячи гектаров.

Рисунок 1. СЭС на территории Белгородской области

Расчётная производительность электростанции составляет 133,4 тыс. кВт∙ч в год. Такой энергии хватило бы, чтобы обеспечить светом жильцов всего одной трёхкомнатной квартиры. А при максимальной мощности и ясной погоде энергии может быть достаточно и для освещения небольшого многоквартирного дома.

Всё полученное с помощью станции электричество вливается в общие сети теплогенерирующей компании, обеспечивающей светом весь регион. И хотя доля вырабатываемой энергии относительно общего потока сейчас невелика, я уверен, в скором будущем появятся солнечные батареи, работающие более эффективно.

Применение солнечных батарей в быту. Солнечная энергия применяется белгородцами в бытовых целях, например, для автономного отопления домов, дач, освещения дорог.

В октябре 2008 года в г.Белгород на крыше 80-квартирного дома появился автономный энергосберегающий комплекс, заряжающийся от солнечной батареи (рисунок 2). Комплекс «Солнцеворот 4000» заряжается в течение светового дня от солнечной батареи. Комплекс состоит из восьми секций батареи, которые направлены на юг, даже в пасмурную погоду улавливают излучение солнца и заряжают аккумуляторы комплекса. Чтобы полностью зарядить фотоэлектрическую батарею, достаточно четырёх часов дневного света. Вырабатывается всего лишь 4 кВт электричества, но благодаря энергосберегающей системе такой мощности хватает, чтобы обеспечить освещением подъезды и площадки возле дома; сообщать о пожаре; обеспечивать работу справочно-информационной транспортной системы и Wi-Fi.

Рисунок 2. Комплекс «Солнцеворот 4000»

В городе Белгороде вдоль объездной дороги на столбах находятся фонари освещения с солнечными батареями (рисунок 3). Источником энергии для них является солнечный свет, который при помощи фотомодуля превращается в электроэнергию.

Рисунок 3. Фонари освещения с солнечными батареями

В посёлке Ровеньки, где я живу, широко используются садовые солнечные фонари для украшения дворов, садов и клумб; а также уличные солнечные светильники, которые освещают территории вокруг домов и огороды местных жителей. Возле многих детских садов и школ Ровеньского района на столбах установлены фонари освещения с солнечными батареями. Солнечные батареи также используются для снабжения электричеством дач, летних кухонь (рисунок 4).

Рисунок 4. Использование солнечной энергии для энергоснабжения домов

2. 4. Практическая часть

В ходе работы над исследованием я решил рассчитать, сколько солнечных батарей потребуется установить, чтобы снабжать электрической энергией мой дом в течение года, и насколько это будет экономически выгодно.

В первую очередь, узнаю, сколько электроэнергии потребляет моя семья ежедневно и зависит ли потребление электрической энергии от времени года.

Потребление электроэнергии за период с сентября 2024 года по август 2025 года я представил в таблице 1 (данные таблицы взяты из счетов за электроэнергию; тариф за электроэнергию с сентября 2024 года по июль 2025 года – 5,33 руб., в августе 2025 года – 6,00 руб.).

Таблица 1

Увеличение потребления электрической энергии наблюдается в летние и осенние месяцы. Во время летних каникул возрастает время работы таких потребителей электроэнергии, как компьютер, телевизор, кондиционер, а осенью - связано с работой кондиционера до начала отопительного сезона.

Рассчитаю среднее суточное потребление электроэнергии членами моей семьи ежемесячно, учитывая количество дней в каждом месяце (таблица 2).

Таблица 2

Я выяснил, что для расчета количества солнечных панелей, которые будут обеспечивать электроэнергией жилой дом, необходимо учитывать уровень инсоляции. Инсоляция – это количество солнечной энергии в киловаттах, которое попадает на 1 квадратный метр участка земли за определенное время. Этот показатель напрямую зависит от географической широты местности и времени года.

Месячные и годовые показатели (в кВт/м²/сутки) солнечной инсоляции в Белгородской области приведены в таблице 3.

Таблица 3

Как видно из таблицы, максимальное значение уровня инсоляции приходится на июль, минимальное – в январе. Так как я планирую энергоснабжение дома на весь год, в своих расчетах буду использовать значения инсоляции каждого месяца.

Мощность фотопанелей, которые рекомендуют для полноценного энергоснабжения жилых домов, варьируется от 150 Вт до 250 Вт, т.е. от 0,15 кВт до 0,25 кВт. При определении количества солнечных панелей нужно учитывать потери зарядки аккумулятора, которые составляют около 20%.

Теперь приступаю непосредственно к расчетам необходимого числа фотобатарей для энергоснабжения дома ежемесячно. Для этого среднее суточное потребление электрической энергии (с учётом потери энергии при зарядке аккумулятора) разделю на значение уровня инсоляции и на мощность одной батареи (возьму 0,2 кВт). Полученные результаты представлены в таблице 4.

Таблица 4

Итак, для энергоснабжения моего дома в течение всего года потребуется 16 солнечных панелей мощностью по 200 Вт. В среднем одна солнечная панель с такой номинальной мощностью стоит около 4 тыс. рублей. Стоимость всего комплекта обойдется в 64 тыс. рублей. По данным таблицы 1 общие затраты за потреблённую моей семьёй электроэнергию в течение года составляют: 772,85 руб. + 879,45 руб. + 533,00 руб. + 559,65 руб. + 586,30 руб. + 586,30 руб. + 533,00 руб. + 596,96 руб. + 612,95 руб. + 634,27 руб. + 1092,65 руб. + 1254,00 руб. = 8641,38 руб. (нужно ещё помнить, что для обеспечения частного дома автономным электроснабжением одних солнечных батарей недостаточно, в комплект нужно еще включить аккумулятор, контролер напряжения и инвертор). Установка 16 солнечных панелей окупится примерно за 7 лет: 64000руб. / 8641,38 руб. = 7,41 года, что, конечно же, не является экономически выгодным. Но хочу отметить, что, несмотря на немалую стоимость данной конструкции, она даёт возможность сделать жильё энергонезависимым и не загрязняет окружающую среду!

Выводы:

1. в нашей местности целесообразно использовать солнечную энергию не в качестве постоянного источника, а в качестве дополнительного совместно с традиционными источниками электрической энергии;

2. можно пользоваться солнечными батареями для энергоснабжения домов в течение полугода – с марта по сентябрь. В эти месяцы уровень инсоляции высок, количество требуемых фотопанелей значительно уменьшается.

3. Заключение

Изучив проблемы энергоснабжения и основные источники электрической энергии Белгородской области, я пришёл к следующему:

1. в связи с постоянно возрастающими энергетическими потребностями региона, система энергоснабжения области работает на полную мощность. Максимальная мощность потребляемой энергии превышает 2000 МВт. При этом происходит неизбежный износ производственных мощностей и объектов энергосистемы области;

2. чтобы не допустить торможение развития экономики и социальной сферы региона, разработана программа развития энергетики Белгородской области, в которой отражено сочетание традиционных способов выработки электрической энергии с альтернативными источниками;

3. учитывая изменения климатических условий нашей местности, в целях ресурсосбережения и охраны окружающей среды, из нетрадиционных источников электроэнергии целесообразно в первую очередь использовать солнечную энергию.

Таким образом, можно сделать вывод, что гипотеза, выдвинутая в начале работы над исследованием, подтвердилась.

Солнечная энергия уже используется на территории нашей области. В 2022 году была утверждена программа развития электроэнергетики Белгородской области, в которой отражено сочетание традиционных способов выработки электрической энергии с альтернативными источниками, в том числе и солнечной энергией.

4. Список используемых источников

1. Володин, В.В. Энергия, век двадцать первый. – М.: Детская литература, 2001.

2. Доклад об особенностях климата на территории Российской Федерации за 2011 год. - М.: Росгидромет, 2012- 82 с.

3. Лебедева М.Г., Крымская О.В. Проявление современных климатических изменений в Белгородской области //Научные ведомости БелГУ. - 2008, №3(43), вып.6. - С. 188-196.

4. http://en.plus – «Энергия будущего» – информационный сайт по альтернативной энергетике.

5. http://www.vesti.ru - Лента мировых и российских новостей (из информационных и аналитических выпусков программы). Фото- и видеоматериалы.

6. http://electricvdele.ru/elektrosnabzhenie/solnechnye-batarei-dlya-chastnogo-doma-kak-vybrat.html - Как выбрать солнечные батареи для дома: виды, принципы работы и характеристики.

7. http://teplowood.ru/solnechnye-batarei-dlya-chastnogo-doma-i-kvartiry.html - Солнечные батареи для частного дома и квартиры.

5. Приложения

Приложение 1. Анкета для учащихся «Использование солнечной энергии»

Цель: определение уровня сформированности знаний учащихся 8-9 классов об альтернативных источниках энергии и применении солнечной энергии на территории Белгородской области.

1. Назовите проблемы энергоснабжения Белгородской области.

2. Какие альтернативные источники электрической энергии вы знаете?

3. В чём преимущества применения альтернативных источников электроэнергии?

4. Где применяется солнечная энергия? Приведите примеры.

5. Используется ли энергия солнца в энергетике нашего региона?

6. Как именно используется солнечная энергия белгородцами?