V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Солнечная фотоэлектрическая станция – самый актуальный источник альтернативной энергии у нас дома
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Начиная с 18 века, вопрос альтернативной энергетики стал актуальным. Альтернативная энергетика должна была решить самый острый вопрос: трата полезных ископаемых и выделение в атмосферу углекислого газа. Этот вопрос заинтересовал французского учёного Бернара Форестера и в 1774 году был издан первый научный труд «Гидравлическая архитектура». Солнечная энергия, как один из альтернативных источников энергии, всегда имела преимущество, как независимая от природных явлений и времени года. [3]
Актуальность работы заключается в том, что прогресс развития данного вопроса позволит использовать возобновляемые источники энергии в домашних условиях.
Проблема. Я всегда думал, что получение энергии – сложный технический процесс, но, оказывается, есть альтернативная энергетика, доступная каждому жителю планеты Земля, а солнечная энергия самая актуальная.
Цель исследования: путем проведения исследований доказать, что знания об альтернативной энергетике помогут в изобретении автономной солнечной станции.
Объект исследования: автономнаясолнечная станция.
Задачи:
Познакомиться с понятием «альтернативная энергетика» и раскрыть её сущность.
Доказать, что солнечная энергия самая доступная и используемая из всех альтернативных источников во всём мире.
Доказать возможность изобретения домашней солнечной станции своими руками.
Приобрести практические умения и навыки закладки, проведения опытов и наблюдений.
Провести опыты, доказывающие возможность изобретения домашней солнечной станции своими руками для освещения или иных целей.
Гипотеза:
Предположим, что возможно изобретения домашней солнечной станции своими руками, и она может быть использована для освещения или иных целей.
Методы исследования:
- анализ теоретического материала литературы;
- сравнительный анализ;
- эксперимент;
- опрос.
Работа имеет следующую структуру:
Введение, две главы, заключение, список литературы, включающий в себя 10 источников, приложение, включающее в себя опрос.
Теоретическая значимость: использование знаний об альтернативной энергетике и энергии солнца помогут бережнее использовать природные ресурсы.
Практическая значимость: результаты работы будут представлять интерес для туристов и дачников, не имеющих доступ к традиционным источникам электроснабжения.
История возникновения альтернативной энергетики, как науки
Альтернативная энергетика – это необычные способы использования энергии солнца, ветра и воды. [2]
Направление альтернативной энергетики считается новым, хотя попытки использовать энергию ветра, солнца, воды предпринимались ещё в 18 веке французским инженером Бернаром Форестом де Белиором, именно он в 1774 году изобрёл солнечный насос, который работал только при значительных колебаниях температур. [3]
В 1846 году датский инженер Поль Ла Кур первый разработал ветровую установку, имеющую 144 лопасти (сейчас их 3), которая генерировала электричество. [3]
Первым научился использовать энергию воды Даниэл Джонкерс, который ещё в 1759 году построил на берегу Ниагарского водопада канал и установил водяное колесо, приводящее в действие лесопилку. [3]
Правительство России обратило внимание на альтернативную энергетику после 1990-х годов, хотя первая ветряная станция появилась в Крыму в 1931 году, и стала первым объектом альтернативной энергетики в России. [3]
Но гораздо раньше научных исследований наши предки научились использовать энергию природы в своих целях. На ветру просеивали зерно от мусора, строили ветряные мельницы для переработки зерна, а позже и водяные мельницы - более практичные и совершенные. И только энергия солнца была недоступна ранее людям. В каждой религии был бог солнца, которому покланялись и считали самым могущественным. И, как оказалось, наши предки были правы. Солнечная энергия не зависит от времени года и условий климата.
Использование солнечной энергии в ведущих мировых державах,
в России и в Орске
Альтернативную энергетику называют также возобновляемой, она имеет, на мой взгляд, огромные перспективы. Например, только Солнце, которое может обеспечить 12-14 миллионов человек энергией, ежедневно посылает на Землю в 20 раз больше энергии, чем её использует всё население земного шара за весь год. [1] Я посчитал, что таким образом мы используем в 7300 раз меньше энергии Солнца, чем могли бы. Человек давно научился извлекать из этой энергии выгоду, но только технологический прогресс может позволить использовать солнечную энергию более эффективно.
За последние 10 лет дома с солнечными панелями на крышах прошли путь от любопытства до обычного явления. Эта технология была доступна в течение десятилетий — космонавты используют спутники на солнечных батареях с 1960 года. Ещё во время Второй Мировой войны практиковались солнечные батареи отопления. [4]
Исследуя вопрос актуальности возобновляемой энергетики в России, я обратил внимание на то, что за 10 лет стоимость электроэнергии в России выросла в среднем в 2,5 раза, а с 2012 года увеличивается на 10-15%. При этом Россия никогда не испытывала недостатка в энергетическом сырье. На данный момент стоимость 1 кВт.ч в России составляет 3-5 рублей в зависимость от региона. Эксперты считают, что за 2-3 года стоимость электроэнергии на фотоэлектро станциях сравняется с традиционными источниками энергии. [7]
Преимущества жилых домов на солнечной энергии очевидны:
•энергия солнца является бесконечной (на ближайшие 5 миллиардов лет),
•обеспечивает экологически чистую энергию,
•без выбросов парниковых газов. [4]
Россия в целом располагает огромными ресурсами по всем видам альтернативной энергетики. Так только в нашей Оренбургской области и в частности в Орске Зелёная энергетика активно развивается и имеет большие перспективы в будущем. Так именно в нашей области находится знаменитая Ириклинская гидроэлектростанция – одна из крупнейших тепловых станций. В черте нашего города Орска нередко можно увидеть ветрогенераторы, которые используют частные промышленные предприятия.
В декабре 2015 года в нашем городе Орске была открыта самая мощная солнечная станция в России, зеркальное поле в 2 миллион квадратных метров и 200 тысяч модулей.
А как же обстоят дела с солнечной энергией в других странах?
Я провёл исследования и узнал, что, оказывается, во Франции правительство обязало строительные компании все новые здания покрывать растениями или солнечными панелями. [8]
ЭМУИ, швейцарская компания, придумала технологию, которая позволяет солнечные панели сделать незаметными. Технологи разработали солнечные батареи, которые могут иметь разные цвета, и незаметно для окружающих, не нарушая эстетический вид здания, стать скрытым источником энергии. [8]
Американский изобретатель Айдан Дуайер предложил размещать фотоэлементы батареи под разными углами, увеличивая преобразование энергии в 20-50 раз. Он сконструировал модель, напоминающую дерево, которую предложил устанавливать на городских улицах. Но Экологи назвали эту идею «анти зелёной», исключающей присутствие живых растений. [7]
Австрийская архитектурная компания «Splitterwerk» наоборот совместно с немецкими учёными спроектировала дом под названием «Био дом» с первым в мире биологическим фасадом, где на строительные плиты нанесён био слой из морских водорослей, играющий роль био дизеля. [9]
Российские инженеры из компании «Инноватикс» (г. Анапа) получили патент на разработку, которая не имеет международных аналогов: черепицу, которая служит кровлей здания и генератором солнечной энергии. Авторы планируют выпускать черепицу мощностью 20 Вт. По расчётам инженеров, для России срок окупаемости солнечной черепицы составит 2-3 года. [7]
Именно для Краснодарского края, Кавказа, Сибири и других регионов России новые разработки в области именно солнечной энергии имеют огромное значение, так как в этих регионах самый острый вопрос: отсутствие возможности проведения сетей электроснабжения и ограниченное потребление электроэнергии.
Китайские производители завоевывали мировой рынок производителей солнечных батарей. Китайская компания Trina Solar Limited (бывшая Австрийская корпорация – гигант, которая обанкротилась и была выкуплена китайской корпорацией) лидер на рынке продаж. Китай располагает огромными запасами кремния и радония, необходимых для создания солнечных панелей, поэтому производство панелей для этой страны экономически выгоднее, чем для Австрии, Германии, Америки, которые закупают составляющие и химические элементы у того же Китая. Кроме шести китайских компаний, в первую десятку вошли две компании из США, одна компания из Канады и одна совместная германо-корейская.
Примером прогресса солнечной энергетики в Китае служит тот факт, что более 100 тысячи семей в провинции Чжэцзян установили электросистемы, использующие солнечную энергию. В городе Дэчжоу крыша и фасад здания администрации покрыты солнечными панелями, которые обеспечивают энергией ближайшие районы города. [9]
Уже ставшие привычными для Китая, «зелёные здания» появляются в качестве эксперимента в соседнем регионе России, на Дальнем Востоке. Так в Хабаровске и Сургуте крыши домов целых микрорайонов были покрыты солнечными панелями. [10]
Проведя анализ, я сделал вывод, что солнечная энергия имеет огромные перспективы развития во всём мире. Учёные доказывают преимущество независимой солнечной энергии над энергией ветра и воды, разрабатывая новые технологии.
Но есть факторы, которые следует учитывать при принятии решения о солнечной энергии — и стоимость главный из них. Я посчитал, что в среднем мы используем около 200 кВт-ч в месяц, или около 6 кВт-ч в день. Типичная солнечная панель вырабатывает до 0,12 кВт в день. Для полного обеспечения энергией, нам нужно около 50 панелей. Стоимость одной панели примерно около 15 000 рублей. Полная стоимость оборудования составит около 75 000 рублей. Стоимость электроэнергии по России в среднем 4 рубля за 1 кВт.ч. Средний счёт в месяц составит 800 рублей, в год почти 10 000 рублей. Окупаемость оборудования составит около семи лет. Срок службы солнечных панелей 40-50 лет, контроллера и инвертера 15-20 лет, аккумуляторов в зависимости от типа и характера использования — 4-10 лет. Поэтому установка индивидуальных солнечных панелей на данный момент имеет экономическую выгоду для конкретного человека. Крупные энергетические компании, закупающие оборудование по более низким ценам, говорят об окупаемости солнечных систем за 2-3 года. [5]
1.3. Солнечная станция, как источник возобновляемой энергии, в домашнихусловиях
В сентябре 2016 года я ездил на на Орскую солнечную электростанцию имени А.А. Влазнева, где директор электростанции Сергей Алексеев рассказал, что принцип работы солнечной батареи прост – поглощать солнечную энергию и трансформировать её в электрическую., что чем больше модуль, тем больше выделяемая энергия, что вопрос Зелёной энергетики для нашего города Орска и во всём мире очень актуален на данный момент, так как используются неисчерпаемые запасы Солнца.
Для того, чтобы собрать солнечную батарею самостоятельно, необходимо было понять строение батареи и характеристики всех её составляющих компонентов. Я видел солнечные панели очень близко, у меня была возможность рассмотреть их и потрогать руками. Солнечные батареи преобразуют солнечный свет в электроэнергию, а потому их можно считать нескончаемым источником энергии.
Я самостоятельно собрал из транзисторов МП26б панель, которая преобразовывала солнечную энергию в электрическую. Плата, собранная мною, оказалась функциональная, она по праву может называться солнечной батареей, так как выделяет электричество только при солнечном свете без иных источников электропитания. Я доказал, что Солнце - один из главных источников энергии на Земле, может стать источником энергии для любого человека, и собрать солнечную батарею может каждый в домашних условиях.
В августе 2017 года губернатор Оренбургской области Юрий Берг пригласил меня, как победителя Всероссийского конкурса «Юный исследователь» в г. Сочи, на открытие второй очереди Орской солнечной электростанции имени Влазнева. После открытия второй очереди она стала выдавать 40 Мега Ватт энергии и стала самой большой станцией в России и второй по величине в мире после солнечной станции в США, штате Калифорния. Я был впечатлён размерами нашей солнечной станции и горд за свой город.
Я решил сконструировать свою собственную солнечную станцию дома самостоятельно. Из чего же состоит солнечная станция? На этот вопрос мне и предстояло ответить. Увидев схему строения солнечной станции, я понял, что она состоит из панели, аккумулятора, контроллера, инвертора и конечного получателя. Наличие аккумулятора говорит о накопительной ёмкости устройства, значит, и сама панель должна быть достаточной мощности, чтобы зарядить аккумулятор. Инвертор преобразовывает энергию аккумулятора в бытовую, то есть 220 В. Контроллер сохраняет все данные о поступлении и расходовании энергии, а также сигнализирует о недостаточном объёме энергии или её избытке. [6]
Мощную панель было решено собрать из транзисторов. Транзистором называется прибор для усиления электрических колебаний, который представляет собой кристалл, помещённый в корпус, имеющий выводы. Кристалл - это проводник электричества, а выводы – усиливают электрические сигналы. [6] Папа разрешил мне разобрать микросхему от неисправного музыкального усилителя и посоветовал использовать транзисторы типа КТ818 - это кремниевые, мощные, низкочастотные транзисторы в металло – стеклянном корпусе, массой около 12 грамм, мощность которого 0,6 Ватт и напряжение 5-6 Вольт, имеющие светочувствительный стеклянный фотоэлемент под металлической шляпкой. Их используют в современном усилительном оборудовании.[6] Аккумулятор было решено взять от старого автомобильного фонарика мощностью 4 Вольта. Фонарь пришлось купить новый, мощный, но экономный в потреблении энергии. Выбор я остановил на светодиодном фонаре с 48 лампами. Для солнечной станции мощностью 4 вольта контроллер и инвертор не нужны. Схему будущей солнечной станции я начертил самостоятельно.
Глава 2. Опытно – экспериментальная работа
2.1. Изготовление солнечной станции, как источника возобновляемой энергии,
в домашних условиях
Оборудование: пластиковые пластины, транзисторы КТ818, аккумулятор на 4 вольта, светодиодный фонарь, олово, паяльник, кислота паяльная, сверлильный станок, точильный станок, плоскогубцы, вольтметр, болты, диод.
С транзисторов КТ818 на сверлильном станке аккуратно, чтобы не повредить стеклянный фотоэлемент – кристалл, который является главной светочувствительной единицей и по виду напоминает фотоэлемент, срезаем шляпку.
Зная, что напряжение в аккумуляторе 4 Вольта, а в транзисторе 0,6 Вольта, я рассчитал необходимое количество транзисторов по элементарной математической формуле таким образом: напряжение в аккумуляторе 4 Вольта разделил на напряжение в транзисторе 0,6 Вольта и получили количество транзисторов 24, которое необходимо для загорания лампочки.
На пластиковой пластинке нужного размера карандашом «нарезаем» полоски шириной 3сантиметр и с расстоянием примерно 1 сантиметра, так получим 4 монтажные дорожки для транзисторов.
Пришло время готовить плату к монтажу транзисторов. Для этого я насверлил на сверлильном станке на плате отверстия по 12 штук на каждой дорожке. Далее собрал плату следующим образом: каждый контакт транзистора продел в отдельные отверстия, последовательно соединил между собой с помощью олова и паяльника все концы транзисторов 1,2 и 3,4 рядов, а затем параллельно, чтобы увеличить выходную мощность панели, 2 и 3 ряды соединил между собой, предварительно обработав места спайки паяльной кислотой.
Соединив, таким образом 24 транзистора, замеряем выходное напряжение и получаем 4 Вольта – что достаточно для свечения нашего фонаря. Далее, обнаружив с помощью вольтметра нашёл «+» и «-» цепи, припаял диод, который предотвращает возвращение тока от аккумулятора на панель, провод двухжильный к плате с выходами на аккумулятор, а к нему припаял провод от фонаря. Чтобы убедиться в функциональности готовой панели, с помощью вольтметра я замерил выходное напряжение и получил 4 Вольта, что соответствует объёму аккумулятора, а значит, мощность и количество транзисторов я рассчитал правильно. Подготовил фонарь следующим образом. Так как работу фонаря от батареек я не предусматривал, необходимо было цепь питания соединить последовательно, спаяв между собой, а так же, найдя «+» и «-» соединить фонарь и подготовленный провод от панели. Пришло время собрать всю систему вместе. К панели я подключил аккумулятор и фонарь. Кристаллы транзисторов очень хрупкие. Чтобы не повредить их и защитить панель от пыли, влаги и повреждений, я покрыл панель прочным прозрачным пластиком. Фонарь загорелся!
Я сделал вывод: солнечная стация работает.
2.2. Выявление практической значимости солнечной станции,
как источника энергии
Так как аккумулятор имел остаточный ток заряда 1,6 Ампера, вместо заявленных 4,5, фонарь горел неярко, а через 1 час погас.
Мне стало интересно, сколько понадобится времени для полной зарядки аккумулятора с помощью моей солнечной панели?
Для эксперимента №1 я поставил панель на подоконник в своей комнате и несколько раз в день измерял ток в аккумуляторе. Полностью аккумулятор зарядился за двое суток, с 22 октября 15.00 до 24 октября 17.00 (50 часов). Эксперимент я проводил в октябре, когда световой день составляет не более 8 часов, а погода пасмурная.
Теперь мне стало интересно, насколько хватит заряда аккумулятора, если свет не будет поступать на панель?
Для эксперимента №2 я накрыл её книгой и включал фонарь для расхода тока на протяжении 4 дней, наблюдая за ним. Фонарь потух, а значит, аккумулятор разрядился за 45 часов.
Я сделал вывод, что моя солнечная станция достаточно практична, так как время заряда и разряда аккумулятора практически равно. А значит, светового дня вполне хватит для подзарядки аккумулятора с помощью солнечной панели даже в осенний – зимний период.
Мне стало интересно, насколько моя солнечная станция практична в использовании?
Для эксперимента №3 папа помог мне установить солнечную станцию и фонарь на стене нашего дачного дома на высоте 2,5 метра. Когда стемнело, я включил фонарь, чтобы измерить площадь, которую освещает фонарь. С помощью рулетки я выяснил, что площадь равна 10 кв.м.
Я сделал вывод, что этого показателя вполне достаточно для освещения небольшой территории дачного участка, или территории рядом с туристической палаткой или внутри неё.
Вывод: солнечная станция, собранная мною дома, действительно функциональная и практична, она по праву может называться солнечной станцией, так как преобразовывает солнечную энергию, накапливает её в аккумуляторе и выделяет электричество.
Заключение
Для изготовления солнечной станции в домашних условиях с применением подручных материалов я не использовал профессиональное оборудование и специальные составляющие. На изготовление своей солнечной станции я потратил 240 рублей, и использовал детали от неисправного оборудования, которые нашёл в гараже. Станция, собранная мною, действительно функциональная и практична в использовании, она преобразовывает солнечную энергию, накапливает её в аккумуляторе и выделяет электричество.
Внешний вид солнечной станции заводского производства и сделанной мною отличается, но функции они выполняют одни и те же. Разница лишь в том, что на свою я потратил 240 рублей, нашёл современное применение «ненужному хламу», который люди выкидывают на свалки, а стоимость аналогичной станции у производителя равна примерно 10000 рублей.
Цели и задачи, поставленные нами в начале работы, достигнуты:
Мы доказали, что знания об альтернативной энергетике помогут нам в изобретении домашней солнечной станции.
Мы доказали, что возможно изобретение домашней солнечной станции своими руками, проведя опыты.
Гипотеза нашла своё подтверждение в опытах:
Возможно изобретения домашней солнечной станции своими руками.
Солнечная станция может быть использована для освещения или иных целей.
В процессе исследовательской деятельности я приобрёл новые знания и навыки: узнал, что такое альтернативная энергетика, научился пользоваться паяльником, сверлить на станке, стачивать метал, разбирать микросхемы и отделять транзисторы по типам друг от друга, узнал что такое «мощность» и «напряжение» в электроприборах.
Я доказал, что собрать солнечную станцию можно самому и для этого не требуется специальное оборудование и знания.
Данная исследовательская работа представляет интерес для изготовления солнечной станции в домашних условиях туристами, дачниками, у которых нет доступа для использования традиционных средств электроэнергии.
Литература
1. Зыкова А., Мальков М., Озерова О. Хочу всё знать/М.: ООО «Издательство Эксмо», 2014.- 440 с.: ил.
2. Ожегов С.И. и Шведова Н.Ю. Толковый словарь русского языка: 80 000 слов и фразеологических выражений /Российская академия наук. Институт русского языка им. В.В. Виноградова. – 4- е изд., дополненное. – М.: Азбуковник, 1999.- 994 стр.
3. Кларк Дж. Иллюстрированная хроника событий и изобретений. – М.: ООО «Издательство Астрель», 2002. – 332 с.: ил.
4. Сайт газеты Энерджи. ру.
5. Сайт Интер РАО – электрогенерация.
6. Сайт журнала «Электрика это просто».
7. Сайт http://1ul.ru
8. Сайт http://solarb.ru
9. Сайт http://sciene.howstuffworks.com
10. Сайт http://surgut.com
Приложение 1.
Эксперимент №1 «Заряд аккумулятора солнечной станции»
Солнечную станцию я поставил на подоконник в своей комнате и 3 раза в день измерял ток в аккумуляторе с помощью мульти метра. В интернете я узнал, что чем ниже заряд аккумулятора, тем меньше он выдаёт Ампер. Полностью аккумулятор зарядился за двое суток, с 22 октября 15.00 до 24 октября 17.00 (50 часов), с 1,66 Ампер до 4,8 Ампер. Эксперимент я проводил в октябре, когда световой день составляет не более 8 часов, а погода зачастую пасмурная.
Вывод: аккумулятор заряжается неравномерно, в зависимости от времени суток и погодных условий. В тёмное время суток аккумулятор не заряжается. В пасмурную погоду преобразование солнечной энергии в электрическую происходит меньше, чем в солнечную погоду.
Приложение 2.
Эксперимент №2 «Разряд аккумулятора солнечной станции»
Я накрыл солнечную панель книгой и включал фонарь для расхода тока на протяжении 4 дней, наблюдая за ним, пока фонарь не потух, а значит, аккумулятор разрядился. Через 37 часов работы фонаря светодиоды начали гореть заметно бледнее, а ещё через 8 часов фонарь перестал работать, а значит, аккумулятор разрядился.
Вывод: Замеры ёмкости аккумулятора показали, что ток расходуется равномерно в любое время суток
18