VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Солнечная станция своими руками
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Аннотация к работе
Работа посвящена изучению альтернативной энергетики, как актуальному вопросу в науке. Возобновляемая энергетика - энергия солнца, ветра и воды, где энергия появляется и преобразовывается в привычную нам. Главная роль принадлежит энергии Солнца, которая поступает на Землю в огромных количествах, а расходуется на 20%. Чтобы доказать значение энергии Солнца автор изучил научную литературу, собрал солнечную станцию в домашних условиях. Автор сделал вывод: Солнце - один из главных источников энергии на Земле, может стать источником энергии для любого человека, так как собрать солнечную станцию может каждый.
The abstract of the paper
This study focuses on alternative energy, as a topical issue in science. Renewable energy - solar, wind and water, where energy appears and is transformed in the usual. The main role of solar energy that comes to Earth in huge quantities, and is spent on 20%. To prove the value of solar energy the author the scientific literature, have collected the solar station at home. The author concluded: the Sun is one of the main sources of energy on Earth can be a source of energy for any person, so as to collect the sun's the station everyone can.
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.
2. Доказать возможность изобретения домашней солнечной станции своими руками.
Приобрести практические умения и навыки закладки, проведения опытов и наблюдений.
4. 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.
Работа имеет следующую структуру:
Введение, две главы, заключение, список литературы, включающий в себя 10 источников.
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.
Глава 1. Теоретический материал об альтернативной энергетике
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 типичную квартиру нам нужно около 10 панелей. Стоимость одной панели примерно около 10 000 рублей. Полная стоимость оборудования составит около 100 000 рублей. Стоимость электроэнергии по России в среднем 4 рубля за 1 кВт.ч. Средний счёт в квартире многоквартирного дома в месяц составит 800 рублей, в год почти 10 000 рублей. Окупаемость оборудования составит около десяти лет. При этом 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 в многоквартирных домах на данный момент не имеет экономической выгоды, но для частного дома вполне перспективное решение для конкретного человека, где счёт за индивидуальное отопление составляет 4 – 5 тысяч рублей в месяц. 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 домашних условиях
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 свою первую 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 первую солнечную мини 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 я собрал из транзисторов типа КТ818 - это кремниевые, мощные, низкочастотные транзисторы в металло – стеклянном корпусе.
В феврале 2018 года губернатор Оренбургской области Юрий Берг пригласил меня на закладку самых мощных в России солнечных станций: Сорочинской, мощность которой 60 МВт и Новосергиевской, мощность которой 45 МВт. В год новые станции способны сэкономить 40 000 тонн условного топлива, это почти 500 цистерн мазута. Я решил сконструировать настоящую солнечную станцию, от которой смогут работать бытовые приборы, работающие от сети 220 Вольт.
Глава 2. Опытно – экспериментальная работа
2.1. Изготовление солнечной станции, как источника возобновляемой энергии,
в домашних условиях
Оборудование: металлический уголок 20х20 мм,стекло 6 мм, герметик силиконовый, провод электрический сечением 1,5 мм 20 м, лента паяльная, паяльник, припой, канифоль жидкая, спирт, ватные диски, разъёмы, распределительная коробка, монокристаллическая солнечная батарея 156х156 мм 0,44 – 0,55 Вольт и мощностью 5 Ватт, инвертор 200 ватт, контроллер, аккумулятор 12 вольт, клемы, вольтметр, очиститель монтажный, строительный пистолет, шпатель.
С помощью мультиметра отбираем батареи от 0,44 до 0,55 Вольт, проверяя каждую. Не все оказались подходящими, некоторые были менее 0,3 Вольт. Так как аккумулятор 12 Вольт, нам необходимо 30 батарей, чтобы общее напряжение в цепи было не менее 15 – 18 Вольт, так как плохие погодные условия могут снизить работоспособность солнечной панели.
Обезжирим спиртом контакты и припаиваем паяльную ленту длинной 33 см к каждой батарее, предварительно обработав канифолью. Спайка происходит по имеющимся на батареях алюминиевым полоскам.
Панели оказались очень хрупкими и при неаккуратном нажатии паяльником лопались, а это усложнило работу и увеличило время спайки.
Убираем остатки канифоли ватным диском и спиртом. И спаиваем батареи рядами по шесть штук. Получилось пять рядов.
Д елаем каркас из металлического уголка под размер панели и стекла.
Полученные ряды батарей выкладываем в рамку на стекло, соединяя в последовательную цепь с помощью паяльной ленты.
Выводим с готовой панели два контакта «+» и «-». Заливаем герметиком всю панель для фиксации батарей.
Контакты с панели заводим в диодную влагозащитную распределительную коробку. С коробки выводим двужильный кабель и присоединяем контроллер, который будет сохранять все данные по поступлению и расходованию энергии, а к нему аккумулятор. К клеммам аккумулятора присоединяем инвертор, который будет преобразовывать энергию аккумулятора 12 вольт в бытовую 220 вольт.
Солнечная станция готова к использованию!!!
2.2. Выявление практической значимости солнечной станции,
как источника энергии
Чтобы выяснить, на сколько моя солнечная станция пригодна к использованию, мы отвезли её на дачу. Там у нас иногда бывают перебои с электроснабжением и автономный источник энергии был необходим.
Инвертор преобразовывает энергию аккумулятора 12 вольт в 220 вольт, а значит мы можем присоединить стандартную бытовую розетку и использовать бытовые приборы.
Контроллер не даст аккумулятору разрядиться полностью, его задача контролировать поступление и расход энергии.
Панель закрепляем на улице, а всё оборудование оставляем дома.
В тройник подключаем три прибора одновременно: мобильный телефон, ёлочную гирлянду и светодиодный шнур. Оставляем приборы включенными на весь день. Вечером я проверил: световые приборы по – прежнему горели, а мобильный телефон зарядился. Я решил оставить гирлянду и шнур включёнными на два дня и убедиться, что аккумулятор не разрядиться полностью, а будет заряжаться в дневное время от панели. Все два дня я наблюдал за гирляндой и шнуром. Они горели без перебоев.
Я сделал вывод: моя солнечная станция работает и может служить полноценным автономным источником энергии на даче или в долгом путешествии.
Заключение
Для изготовления солнечной станции в домашних условиях я не пользовался профессиональным оборудованием, но использовал специальные составляющие. На изготовление своей солнечной станции я потратил 9000 рублей, а аналогичная у известного производителя стоит около 25000 рублей. 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 практически ни чем не отличается и функции они выполняют одни и те же. Цели и задачи выполнены, а гипотеза нашла подтверждение в моей работе.
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