VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Солнечная батарея и ветрогенератор как модель альтернативных источников энергии для обеспечения электричеством предприятий и домов поселка, района

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Золотарева Д.А. 1

---

1МАОУ «Голышмановской средней общеобразовательной школы № 4»

Кузьминых И.Г. 1

---

1МАОУ «Голышмановской средней общеобразовательной школы № 4»

Работа в формате PDF

1.7 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Голышмановский район – это поля, леса, луга, реки Вагай и Емец. Ручьев, прудов – около 140. Шестьдесят озер – больших и малых. С экономической точки зрения территория района расположена очень выгодно. (фото 1-2, приложение).

Населённый пункт был основан в 1911 году в связи со строительством железной дороги Тюмень-Омск. Получил первоначальное название Катышка. С начала XX века в посёлке активно развивались мыловаренное, пимокатное, льняное, кондитерское, колбасное производства, ткачество, обработка кож, древесины и другие ремёсла. (фото 3-4, приложение).

Рабочий посёлок Голышманово расположен 56°28′29″ северной широты 68°36′51″ восточной долготы, население – увеличивается. Таблица 1. Крупные предприятия: СтасАгро, Рошфор, ООО Молочные реки, птицефабрика, ДРСУ. (фото 3-4, приложение).

Таблица 1.

Введение должно включать в себя формулировку постановки проблемы, отражение актуальности темы, определение целей и задач, поставленных перед исполнителем работы, краткий обзор используемой литературы и источников, степень изученности данного вопроса, характеристику личного вклада автора работы в решение избранной проблемы.

В 2017 году на Юге Тюменской области добыто 8,4 млн тонн нефти (91% к уровню января-сентября 2016 года), из - за ограничения объемов добычи нефти со странами ОПЕК. В любом случае нам придется увеличивать процент использования возобновляемых источников энергии.

Проблема - колоссальные расходы поселок и предприятия тратит на электроэнергию. В поселке Голышманово увеличивается численность населения, строятся новые дома, развивается инфраструктура, эти факты приводят к увеличению потребления энергии.

Отсюда возникают проблемы с падением напряжения в поселке и скачками напряжения в построенных домах (их строят на новых улицах). В Голышмановском районе протекает несколько рек. Молочный комплекс «ООО Молочные реки», работает в Усть – Ламенке, там много открытого пространства. Если построить гидроэлектростанцию или ветряную электростанцию, то можно не только передавать энергию предприятиям, и вырабатывать электричество на бытовые нужды. Это позволит получить дополнительный источник энергии, что улучшит экономический рост и благосостояние жителей.

Один из самых экологичных видов получения электроэнергии - это использование энергии воды, солнца, ветра. Мы считаем, что любое предприятие или частный дом может снизить плату за электричество и сделать завод или свое жилище независимым от электростанции. Поэтому для нас создание энергоресурса - актуально.

Цель работы: разработка и создание проекта возобновляемого источника энергии для обеспечения электричеством предприятий и домов поселка, района.

Задачи:

1. Изучить энергетический ресурс местности поселка.

2. Оценить эффективность использования гидроэлектростанции, ветрогенератора и солнечных батарей в Голышмановском районе.

3. Создать модель, макет действующей станции вырабатывающей энергию.

План исследований

Библиография

Ветровая энергия: Учебное пособие для школ. Пер. с английского, перераб. и допол. Под редакцией А. Агеева – Волгоград: Книга, Международный Центр просвещен. «Вайленд – Волгоград», 2010.

Более чем достаточно. Оптимистический взгляд на будущее энергетики мира/ Под ред. Р. Кларка: Пер. с англ. – М.: Юрайт-Издат, 2007.

http://www.energy-bio.ru Реферат «Нетрадиционная энергетика

http://www.bankreferatov.ru Исследовательская работа «Солнечные батареи».

https://school-science.ru/2/11/30640«Использование солнечной энергии в нашем доме».

Объект исследования: созданные устройства солнечной батареи и ветрогенератора, вырабатывающие энергию.

Предмет исследование: работа сконструированных устройств и проводимые изменения их параметров.

Методы исследования: исследования проводятся при изменении параметров частей моделей и анализом их работы, корректировка конструкции моделей.

Используемые методы: теоретический, эмперический и практический. Теоретический метод: изучение научно популярной литературы и материал сайтов Интернет. Эмпирический: наблюдение за погодными условиями, оценка известных параметров для проекта, измерение полученной энергии и интерпретация полученных результатов.

Практический метод: проектирование, конструирование устройств. Средства исследования: комплект «Возобновляемые источники энергии» Лего, датчики освещенности и температуры, вольтметр, амперметр.

Гипотеза: Возобновляемые источники энергии можно использовать в наших климатических условиях, но совместно с традиционными источниками.

Назначение: разработка возобновляемых источников энергии, которые можно применять в Голышмановском районе Тюменской области.

Востребованность: использование результатов проекта обратит внимание наснижения энергопотребления и модернизация систем энергоснабжения.

Принципиальное новшество нашего исследования – рассмотрели преимущества именно совместной работы альтернативных источников энергии и классической схемы электроснабжения.

В исследовательской работе мы рассмотрели альтернативные источники энергии, которые можно использовать в климатических условиях Тюменской области и сконструировали и собрали солнечную батарею и ветрогенератор.

Классический подход к проблеме альтернативной энергетики - это подход замещения, то есть использования альтернативного источника, как единственного и основного. Именно с этой точки зрения отвергается большинство проектов, так как альтернативные источники не гарантируют равномерного поступления энергии.

Основная часть

Климат Тюменской области

Климат Тюменской области континентальный. Средняя температура зимой - 15 градусов, средняя температура в июле + 23 градуса, годовая средняя температура + 2 градуса, от 96 до 275 солнечных дней в году. Ветер в основном Юго – западный, средняя скорость ветра – 4 м / с, полного штиля нет, максимальная – 25 м/с. Много рек, средняя скорость воды в реках – 4 м/с. В Голышмановском районе – река Вагай и ее притоки.

В Тюменской области в среднем за год продолжительность солнечного сияния колеблется от 1500 до 2000 часов, что, в свою очередь, составляет около 40% от возможного количества часов в год. Рекомендуемый минимум для установки фотоэлектрических преобразователей (солнечных батарей) 1000 часов. Так что для выработки тепловой и электрической энергии на территории Тюменской области могут быть использованы солнечные батареи. Использование энергии солнца в качестве альтернативного источника можно считать целесообразным.

Среднегодовая скорость ветра в Тюменской области колеблется от 3 до 5 м/с. Рекомендуемый минимум среднегодовой скорости ветра для ветроэнергетических установок не менее 3 м/с. Зимой скорости ветра выше, средняя скорость ветра зимой составляет порядка 6 м/с. В теплое время года ветры на территории Тюменской области менее сильные. Использование энергии ветра в качестве альтернативной на территории Тюменской области можно считать целесообразным. Внедрение ветроэнергетических установок для электро- и теплоснабжения автономных потребителей является экономически целесообразным. После принятия решения об установке ветряков, необходимо проводить дополнительные исследования, чтобы выявить наиболее подходящие для установки ветрогенераторов точки.

Тюменскую область называют «второй Венецией» по количеству рек. Выбор технологии выработки энергии всякий раз должен производиться на основании данных конкретного водотока. Кроме этого на территории области возможно и эффективно использование тепловых насосов различных модификаций.

Вывод: климатические условия Тюменской области наиболее благоприятны для применения трех типов генераторов альтернативной энергии, а именно:

«Солнечных батарей» (фотоэлектрических преобразователей)

Ветроэнергетических установок

Гидрогенераторов.

Получается в нашем регионе возможно использование ветрогенераторов, солнечных батарей и малых гидроэлектростанций, но модернизированных. Для поселка работа альтернативных источников энергии возможна совместно с традиционным электроснабжением.

Если рассматривать поселок и Голышмановский район, то необходимо также изучить, как и где устанавливать источники энергии. Установить солнечную панель на дом площадью 100 кв. м., будет стоить 250 тысяч, окупаемость составит примерно 8 лет. Поэтому альтернативные источники энергии рентабельно устанавливать предприятиям или энтузиастам. Например, дома на новых улицах поселка или птицефабрика – там постоянно ветры. ООО «Молочные реки», открытое пространство большой площадью, можно установить солнечные панели или ветрогенератор, притом предприятие, развивающееся, и может вложить средства для модернизации. Перепад на реке Емец составляет – 1 метр можно установить малую ГЭС. (фото 5-6, приложение).

Гидроэлектростанция

Эффект действия любой ГЭС прямо пропорционален количеству воды, проходящей через турбину в единицу времени, и высоте падения воды.

В России доля ГЭС в энергобалансе страны – 11%. Преобладают крупные ГЭС: Шушинская, Ангарская, Братская, Красноярская и другие. Наиболее перспективны в использовании малые ГЭС.

Так как скорость рек в Тюменской области не позволяет использовать традиционные ГЭС, мы предлагаем в поселке Голышманово построить маломощную гидроэлектростанцию.

Очистительные сооружения Голышмановского района пропускают 1000 кубических метров воды, и очищенная вода выливается из трубы с высоты 2 метра в речку Отможка. Изучив работу очистных сооружения со специалистом, который убедил нас, что построить миниГЭС нерентабельно, так как скорость падения реки 1, 5 м/с, а для работы ГЭС о недостаточно. (фото 7-8, приложение).

Солнечная энергетика

Солнечная энергетика — направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов. На сегодняшний момент в ряде городов России установлены солнечные батареи для нагревания воды и отопления домов. Солнечные батареи можно сконструировать и самому и их использование только набирает оборот.

Через 40 лет, солнечная энергия, будет вырабатывать 25 % электрической энергии.

Солнечные батареи производят в Китае, Германии, в России солнечные панели для космических установок изготавливает предприятие Квант» в Санкт – Петербурге» и других городах Если рассматривать солнечную панель производительностью - 1,5 – 3 кВт, то стоимость до 500 000 рублей можно установить солнечную электростанцию компании «Домекос» город Уфа (рисунок 1, приложение).

Конструирование.

Германий используется в качестве полупроводника в нижнем слое «многостыковых» солнечных элементов. Но 1 килограмм германия стоит 1200 долларов США, поэтому основным элементом для солнечных элементов является кремний. Но учеными-материаловедами удалось создать двумерное вещество на основе германия, его назвали «германан». Опыты показали, что «германан» является отличным полупроводником, электричество через него проходит в разы быстрее, чем через кремний, и он весьма устойчив, и на настоящий момент германий наиболее перспективный материал.

Мы изготовили солнечный элемент из транзистора, который состоит из полупроводника германий. (фото 9, приложение).

Мы взяли транзистор, спилили крышку и спаяли их последовательно, сила тока – 1 мА, напряжение – 0,2 В. Так как полупроводниковый элемент расположен перпендикулярно, то его лучше устанавливать вертикально, и использовать при восходе, заходе солнца.

Теоретический предел фотоэлектрического преобразования превышает 90%. Используемые сейчас на Земле солнечные элементы, основанные на силиконе, имеют эффективность всего лишь в 20 процентов. В космосе германиевые батареи превращают 28 процентов солнечной энергии в электричество, но на Земле при использовании солнечных концентраторов теоретически они могут иметь мощность свыше 50 процентов. Потери КПД происходят в основном из-за нагревания и оптических потерь. Одним из способов снижения потерь является нанесение антиотражающих покрытий. Мы решили в школьной лаборатории провести эксперимент с солнечными элементами, из имеющего оборудования.

Используя селеновый фотопреобразователь, мы провели ряд исследований. Один селеновый элемент – дает 5 мА, напряжение 0,2 В. Мы соединяли фотоэлементы последовательно и параллельно и выяснили, что для работы солнечной батареи необходимо последовательное соединение, так как это увеличивает напряжение источника вырабатываемого элементом. (фото 10, приложение). При последовательном соединении напряжение при пасмурной погоде – 2 В, при солнечной – 3 В, что достаточно для работы лампы. (фото 11, приложение). При работе солнечная батарея нагревается, измеряя температуру элемента температурным датчиком, выяснили, что она меняется на 0, 6 градусов за 10 секунд. (фото 12, 13, приложение). Мы измерили отражение света от селенового элемента, с помощью датчика освещенности, элемент поглощает в среднем 7 % падающего света. (фото 14, приложение).

Мы решили узнать, как нанесение разноцветных покрытий влияет на вырабатываемое напряжение и силу тока. На стекло наносили гуашь, и закрывали селеновый элемент. В результате исследования выяснили, что вода поглощает солнечное излучение, а толщина пленки незначительно уменьшает вырабатываемое излучение. (фото 15, приложение).

Свет проходя через стекло, теряет свою интенсивность, напряжение и сила тока вырабатываемого элемента уменьшается. В результате экспериментов выяснили, что напряжение не зависит от цвета пластинки закрывающей фотоэлемент. Сила тока уменьшается, незначительно, если наносить покрытие красного или желтого цвета. Если наносить покрытие синего или фиолетового цвета, то сила тока уменьшается до 1А ли 0, 7 А. Из эксперимента следует, что с уменьшение длины волны падающего цвета сила тока уменьшается. (фото 16 -19, приложение). Таблица 2.

Таблица 2

Можно предположить, что нанесение нанопленок уменьшит потери энергии. Толщина антиотражающего покрытия выбирается так, чтобы она составляла четверть длины волны падающего излучения. Для материала с коэффициентом преломления n1 и c длиной волны падающего излучения λ0 толщина d1, приводящая к минимальному отражению равна:

.

Мы использовали германий, и селен, так как на настоящий момент именно они входят в состав солнечных элементов в новейших разработках.

На настоящий момент, применение нанотехнологий позволяет уменьшить стоимость элемента. Общая установленная мощность солнечных электростанций в России превышает 400,0 МВт.

Ветровая энергетика

Воздух - это ветер, один из альтернативных источников энергии на нашей планете. Современность определяет ветер, как поток воздуха, движущийся вдоль земной поверхности со скоростью свыше 0,6 м/с.

Ветровые энергетические установки, работающие для получения электрической энергии в промышленных масштабах, также существуют на территории нашей страны, хотя их доля, в общей мощности энергетической системы, значительно ниже, чем солнечных электростанций. Общая установленная мощность ветровых генераторов составляет немногим больше 100,0 МВт.

Теоретически достижимый КПД ветрогенератора равен примерно 60%, с учетом различных потерь и неравномерности воздушных потоков его величина колеблется в пределах 15 – 20%. Экономически оправданными становятся ветрогенераторы с мощностью от 2 КВт.

Мощность, которую можно получить из энергии ветра, равна скорости ветра в третьей степени. Т.е. P=k*v^3, где k-постоянная ветряка, v-скорость ветра. Согласно закону Беца, только ~59.3% энергии можно получить от ветра, наша формула примет вид: . P=0.593*k*v^3, где k – потери в ветрогенераторе на механические трения и другие, чем выше ветряк установлен над уровнем земли, тем большее мощности можно извлечь из энергии ветра.

Используя конструктор «Возобновляемые источники энергии» мы собрали модель ветрогенератора и солнечной батареи. Максимальная сила тока составляет – 4 мА, напряжение - 5 В, ветрогенератор начинает работать при – 2 мА и 2,5 В. Программа записанная на контролер позволяет поворачивать солнечную панель под угол падения лучей Солнца. То есть все же рентабельно использовать промышленные установки для получения энергии. (фото 20-21, приложение). Гибридная ветро - солнечная электростанция. ( рисунок 2, приложение). Общими компонентами являются контроллер заряда и инвертор. Данная электростанция предлагается OOO СВС-Байкал-Энергия, Иркутская область.

Заключение

В наших климатических условиях можно использовать ветроэнергетику, солнечные батареи и малонапорные гидроэлектростанции, но, к сожалению, используются в основном только ТЭС, которые в свою очередь потребляют невозобновляемые источники энергии. Своей работой, я хочу обратить внимание на эту проблему.

Для практического применения, я собрала действующие модели электростанций, подходящих нам по климатическим условиям. Эти модели рекомендую использовать на уроках физики благодаря их простой конструкции и наглядности. Надеюсь, данная работа будет услышана, и в будущем будет реализована на практике

Выводы

Альтернативные источники энергии можно использовать в Тюменской области. Голышмановский район имеет все условия для их внедрения. Выработанная энергии поступает, например, в накопитель и используется.

Климатические условия наиболее благоприятны для применения трех типов генераторов альтернативной энергии, а именно: «Солнечных батарей», ветроэнергетических установок.

Вариантом для предприятий являются ветро - солнечные электростанции, так как максимальная производительность солнечных батарей приходится на летний период, а ветроэлектрической установки, исходя из метеоусловий Тюменской области - на зимний период. Для частных лиц ветроэлектрическая установка более приемлема.

Литература

Аугуста Голдин. Океаны энергии. - М.: Юрайт-Издат, 2007. — 661 с. ISBN 978-5-94879-739-7

Баланчевадзе В. И., Барановский А. И. и др.; Под ред. А. Ф. Дьякова. Энергетика сегодня и завтра. М.: Альфа-Пресс, 2008. — 208 с.ISBN 918-5-94280-452-2

Более чем достаточно. Оптимистический взгляд на будущее энергетики мира/ Под ред. Р. Кларка: Пер. с англ. – М.: Юрайт-Издат, 2007. — 321 с. ISBN 978-5-94879-739-7

Источники энергии. Факты, проблемы, решения. – М.: ВАКО, 2008. - 212 с. ISBN 978-5-94665-695-5

Кононов Ю. Д.. Энергетика и экономика. Проблемы перехода к новым источникам энергии. – М.: Альфа-Пресс, 2008. — 608 с.ISBN 978-5-94280-332-2

Интернет источники

Официальный сайт компании ООО «Электроветер» 215500, Россия, Смоленская обл., г. Сафоново, ул. Радищева 2, Тел. 8-960-581-81-76 E-mail: electroveter@mail.ru. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://electroveter.ru/- дата обращения: 22.10.2017.

Официальный сайт компании ОАО «Домекос». Россия, Уфа ул. Менделеева, д. 137, тел: +7 963 890-80-26 E-mail: ufa107@mail.ru. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.build.ru/- дата обращения: 24.11.2017, 12.01.2018.

Официальный сайт компании OOO СВС-Байкал-Энергия, Россия, Иркутская область, Ангарск, 81-й квартал, ТК «Центр», цокольный этаж тел. +7 (3955) 68-40-24, +7 (914) 004-76-21. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://wind-solar.ru/- дата обращения: 14.12.2017, 7.05.2018.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Фото 1. Р.п. Голышманово. Фото 2. Р.п. Голышманово.

Фото 3. СтасАгро. Фото 4. Птицефабрика.

Фото 5. ООО «Молочные реки». Фото 6. Река «Емец».

Фото 7. Очистные сооружения поселка. Фото 8. Цех очистки.

Рисунок 1. Солнечная электростанция компании «Домекос» город Уфа.

Фото 9. Солнечный элемент из транзистора. Фото 10. Селеновый фотопреобразователь.

Фото 11. Последовательное соединение.

Фото 12. Датчики температуры и освещенности.

Фото 13. Измерение температуры.

Фото 14. Измерение освещенности.

Фото 15. Эксперимент.

Фото 16. Эксперимент. Фото 17. Эксперимент.

Фото 18. Эксперимент. Фото 19. Эксперимент.

Фото 20. Ветрогенератор.

Фото 21. Ветрогенератор.

Рисунок 2. Гибридная ветро - солнечная электростанция СВС-Байкал-Энергия.