В данной работе рассмотрены альтернтивные источники энергии, более подробно представлена солнечная энергетика. В практической части представлен рассчет количества солнечных панелей, которые можно было бы расположить на крыше здания колледжа, с целью экономии расхода электроэнергии.
Вложение | Размер |
---|---|
gbou_spo.doc | 708 КБ |
ГБОУ СПО
«Арзамасский приборостроительный колледж имени П.И. Пландина»
Исследование возможности использования солнечной энергии в целях энергосбережения
Выполнил: студент 2 курса
гр. ВТ-206 Андриянов А.Е.
Руководитель: Пимкова Э.В.
Арзамас
2012 год
Содержание
Введение………………………………………………………………..............3
Глава 1. Альтернативные источники энергии…………………………………………………………………………4
1.3 Солнечная энергетика…………………………………………………….9
1.3.1 Виды преобразователей солнечной энергетики…………...…9
1.3.2 Принцип работы………………………………………………..11
1.З.3 Распространение………………………………………………..12
1.3.4 Достоинства и недостатки……………………………………..14
1.3.5 О федеральном законе № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации»….……...………15
Глава 2. Исследование возможности использования солнечной энергии в целях энергосбережения ……………………………………………………..16
Заключение…………………………………………………………………….18
Список используемых источников…………………………………………19
Д.А.Медведев: "...У нас с энергоэффективностью все довольно плохо
и в стране, и на отдельных предприятиях,
и в жилищно-коммунальном хозяйстве.
Нам обязательно нужно этому уделять
самое существенное внимание...".
Поездка в Мурманскую обл.
6.04.12, www.kremlin.ru
Введение.
В наше время человечеству нужно всё больше и больше энергии, причем потребности в ней увеличиваются с каждым годом. Вместе с тем запасы традиционных природных топлив (нефти, угля, газа и др.) исчерпаемы. Исчерпаемы также и запасы ядерного топлива - урана и тория, из которого можно получать плутоний в реакторах-размножителях. Практически неисчерпаемы запасы термоядерного топлива – водорода, однако управляемые термоядерные реакции пока не освоены и неизвестно, когда они будут использованы для промышленного получения энергии в чистом виде, т.е. без участия в этом процессе реакторов деления. Остаются два пути: строгая экономия при расходовании энергоресурсов и использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии.
Сегодня возобновляемые источники энергии (ВИЭ) привлекают все большее внимание, как простых людей, так и руководств многих государств, международных организаций. На заседаниях Большой восьмерки (двадцатки) в последнее время регулярно обсуждаются нарастающие проблемы энергетики и экологии, решение которых в мировом масштабе в будущем не представляется возможным без широкого использования экологически чистых ВИЭ.
Целью нашей исследовательской работы является исследование возможности эффективного использования возобновляемых источников энергии для снижения расхода традиционных видов топлива и защиты окружающей среды.
Для достижения поставленной цели в представленной работе решаются следующие основные задачи:
Глава 1. Альтернативные источники энергии
1.1 Виды источников альтернативной энергетики.
Существует множество видов альтернативной энергетики, такие как солнечная энергетика, ветроэнергетика, биомассовая энергетика, волновая энергетика, градиент-температурная энергетика, эффект запоминания формы, приливная энергетика, геотермальная энергия.
Термодинамические установки, преобразующие энергию солнца вначале в тепло, а затем в механическую и далее в электрическую энергию, содержат "солнечный котел", турбину и генератор. Однако солнечное излучение, падающее на Землю, обладает рядом характерных особенностей: низкой плотностью потока энергии, суточной и сезонной цикличностью, зависимостью от погодных условий. Поэтому изменения тепловых режимов могут вносить серьезные ограничения в работу системы. Подобная система должна иметь аккумулирующее устройство для исключения случайных колебаний режимов эксплуатации или обеспечения необходимого изменения производства энергии во времени. При проектировании солнечных энергетических станций необходимо правильно оценивать метеорологические факторы.
Рис.1 Солнечные панели
1.1.2 Геотермальная энергетика – способ получения электроэнергии путем преобразования внутреннего тепла Земли (энергии горячих пароводяных источников) в электрическую энергию.
Этот способ получения электроэнергии основан на факте, что температура пород с глубиной растет, и на уровне 2–3 км от поверхности Земли превышает 100°С. Существует несколько схем получения электроэнергии на геотермальной электростанции.
Прямая схема: природный пар направляется по трубам в турбины, соединенные с электрогенераторами. Непрямая схема: пар предварительно (до того как попадает в турбины) очищают от газов, вызывающих разрушение труб. Смешанная схема: неочищенный пар поступает в турбины, а затем из воды, образовавшийся в результате конденсации, удаляют не растворившиеся в ней газы.
Стоимость "топлива" такой электростанции определяется затратами на продуктивные скважины и систему сбора пара и является относительно невысокой. Стоимость самой электростанции при этом невелика, так как она не имеет топки, котельной установки и дымовой трубы.
К недостаткам геотермальных электроустановок относится возможность локального оседания грунтов и пробуждения сейсмической активности. А выходящие из-под земли газы могут содержать отравляющие вещества. Кроме того, для постройки геотермальной электростанции необходимы определенные геологические условия.
1.1.3 Ветроэнергетика – это отрасль энергетики, специализирующаяся на использовании энергии ветра (кинетической энергии воздушных масс в атмосфере).
Ветряная электростанция – установка, преобразующая кинетическую энергию ветра в электрическую энергию. Состоит она из ветродвигателя, генератора электрического тока, автоматического устройства управления работой ветродвигателя и генератора, сооружений для их установки и обслуживания.
Для получения энергии ветра применяют разные конструкции: многолопастные «ромашки»; винты вроде самолетных пропеллеров; вертикальные роторы и др.
Производство ветряных электростанций очень дешево, но их мощность мала, и их работа зависит от погоды. К тому же они очень шумны, поэтому крупные ветряные электростанции даже приходится на ночь отключать. Помимо этого, ветряные электростанции создают помехи для воздушного сообщения, и даже для радиоволн. Применение ветряных электростанций вызывает локальное ослабление силы воздушных потоков, мешающее проветриванию промышленных районов и даже влияющее на климат. Наконец, для использования ветряных электростанций необходимы огромные площади, много больше, чем для других типов электрогенераторов.
1.1.4 Волновая энергетика – способ получения электрической энергии путем преобразования потенциальной энергии волн в кинетическую энергию пульсаций и оформлении пульсаций в однонаправленное усилие, вращающее вал электрогенератора.
По сравнению с ветровой и солнечной энергией энергия волн обладает гораздо большей удельной мощностью. Так, средняя мощность волнения морей и океанов, как правило, превышает 15 кВт/м. При высоте волн в 2 м мощность достигает 80 кВт/м. То есть, при освоении поверхности океанов не может быть нехватки энергии. В механическую и электрическую энергию можно использовать только часть мощности волнения, но для воды коэффициент преобразования выше, чем для воздуха – до 85 процентов.
Для выработки электроэнергии электростанции такого типа используют энергию прилива. Для устройства простейшей приливной электростанции (ПЭС) нужен бассейн – перекрытый плотиной залив или устье реки. В плотине имеются водопропускные отверстия и установлены гидротурбины, которые вращают генератор.
Во время прилива вода поступает в бассейн. Когда уровни воды в бассейне и море сравняются, затворы водопропускных отверстий закрываются. С наступлением отлива уровень воды в море понижается, и, когда напор становится достаточным, турбины и соединенные с ним электрогенераторы начинают работать, а вода из бассейна постепенно уходит.
Считается экономически целесообразным строительство приливных электростанций в районах с приливными колебаниями уровня моря не менее 4 м. Проектная мощность приливной электростанции зависит от характера прилива в районе строительства станции, от объема и площади приливного бассейна, от числа турбин, установленных в теле плотины.
Недостаток приливных электростанции в том, что они строятся только на берегу морей и океанов, к тому же они развивают не очень большую мощность, да и приливы бывают всего лишь два раза в сутки. И даже они экологически не безопасны. Они нарушают нормальный обмен соленой и пресной воды и тем самым – условия жизни морской флоры и фауны. Влияют они и на климат, поскольку меняют энергетический потенциал морских вод, их скорость и территорию перемещения.
Рис.4 ГЭС на озере Рис.5 Приливные генераторы
Большинство градиент-температурных электростанций расположено на морском побережье и используют для работы морскую воду. Мировой океан поглощает почти 70% солнечной энергии, падающей на Землю. Перепад температур между холодными водами на глубине в несколько сотен метров и теплыми водами на поверхности океана представляет собой огромный источник энергии, оцениваемый в 20-40 тысяч ТВт, из которых практически может быть использовано лишь 4 ТВт.
Вместе с тем, морские теплостанции, построенные на перепаде температур морской воды, способствуют выделению большого количества углекислоты, нагреву и снижению давления глубинных вод и остыванию поверхностных. А процессы эти не могут не сказаться на климате, флоре и фауне региона.
Существуют предприятия (свинарники и коровники и др.), которые сами обеспечивают себя электроэнергией и теплом за счет того, что имеют несколько больших "чанов", куда сбрасывают большие массы навоза от животных. В этих герметичных баках навоз гниет, а выделившийся газ идет на нужды фермы.
Еще одним преимуществом этого вида энергетики является то, что в результате использования влажного навоза для получения энергии, от навоза остается сухой остаток являющийся прекрасным удобрением для полей.
Также в качестве биотоплива могут быть использованы быстрорастущие водоросли и некоторые виды органических отходов (стебли кукурузы, тростника и пр.).
Каковы масштабы практического использования ВИЭ в мире? Имеющиеся данные позволяют утверждать, что в мире наблюдается бум возобновляемой энергетики.
На возобновляемые (альтернативные) источники энергии приходится всего около 1 % мировой выработки электроэнергии. Речь идет прежде всего о геотермальных электростанциях (ГеоТЭС), которые вырабатывают немалую часть электроэнергии в странах Центральной Америки, на Филиппинах, в Исландии; Исландия также являет собой пример страны, где термальные воды широко используются для обогрева, отопления.
Приливные электростанции (ПЭС) пока имеются лишь в нескольких странах — Франции, Великобритании, Канаде, России, Индии, Китае.
Солнечные электростанции (СЭС) работают более чем в 30 странах.
В последнее время многие страны расширяют использование ветроэнергетических установок (ВЭУ). Больше всего их в странах Западной Европы (Дания, ФРГ, Великобритания, Нидерланды), в США, в Индии, Китае. Дания получает 25% энергии из ветра
В качестве топлива в Бразилии и других странах все чаще используют этиловый спирт.
Перспективы использования возобновляемых источников энергии связаны с их экологической чистотой, низкой стоимостью эксплуатации и ожидаемым топливным дефицитом в традиционной энергетике.
По оценкам Европейской комиссии к 2020 году в странах Евросоюза в индустрии возобновляемой энергетики будет создано 2,8 миллионов рабочих мест. Индустрия возобновляемой энергетики будет создавать 1,1 % ВВП
Россия может получать 10% энергии из ветра
1.3 Солнечная энергетика.
Солнце – мощнейший источник энергии в нашей солнечной системе. Давление в его внутренней части порядка 100 миллиардов атмосфер, а температура достигает 16 миллионов градусов. Не удивительно, что такой объект является источником столько мощного излучения. До Земли доходит лишь одна двухмиллиардная доля всего излучения. Но даже эта малая часть превосходит по мощности все Земные источники энергии (в том числе и энергию земного ядра). Использование солнечной энергии сегодня стало распространенным явлением, а солнечные батареи обретают все большую популярность.
Первые солнечные батареи были использованы в 1957 году при покорении космоса. Их установили на спутник для преобразования солнечной энергии в электрическую, которая была необходима для работы спутника. При создании солнечных батарей используют полупроводниковые материалы, как правило, кремний.
1.3.1 Виды преобразователей солнечной энергетики.
Рис.9 Солнечный водонагреватель
Рис.10 Солнечный коллектор
Рис.11 Фотоэлемент
1.3.2 Принцип работы.
Принцип работы солнечных элементов построен на фотоэлектрическом эффекте – преобразовании энергии света в электричество. Когда солнечная энергия попадает на неоднородный полупроводник (неоднородность может достигаться различными путями, например легированием), в нем создаются неравновесные носители заряда обоих типов. При подключении данной системы к внешней цепи можно «собирать» электроны, соответственно создавая электрический ток.
Рис. 12 Принцип работы солнечной батареи
Есть много эффектов, которые отрицательно сказываются на величине получаемого тока (например частичное отражение солнечных лучей или их рассеяние), поэтому исследовательская работа по созданию наиболее подходящего материала очень актуальна на сегодняшний день.
Солнечные батареи – это большие по площади модули, которые собираются из отдельных элементов. Эти элементы – это обычно небольшие пластины (размеры которых в среднем 130×130мм), с припаянными к ним контактами.
Этот вид энергии абсолютно экологичен – нет никаких ядовитых и опасных выбросов в атмосферу, они не загрязняют воду или почву, у них даже отсутствует опасное излучение. К тому же это весьма надежный источник альтернативной энергии – по расчетам ученых солнце будет светить еще несколько миллионов лет. К тому же, энергия солнца абсолютна бесплатна. Другое дело, конечно, что создание самого солнечного элемента является довольно дорогой процедурой.
Но у данного вопроса есть и обратная сторона. Притом, что энергия солнца бесплатна и огромна, она, увы, непостоянна. Работа солнечных батарей сильно зависит от погоды. В пасмурную погоду количество вырабатываемого электричества падает в разы. А ночью и вовсе прекращается. Пытаясь как-то справиться с этим, ученые разработали всевозможные аккумуляторы. Но при нагрузке таких огромных солнечных станций, аккумуляторы не выдерживают больше часа. Поэтому использование солнечных батарей возможно только совместно со стабильным (пусть и более дорогим) источником электроэнергии.
1.3.3 Распространение солнечных батарей
Неудивительным является и то, что солнечные батареи очень распространены в тропических и субтропических регионах. Количество солнечных дней в странах этих регионов максимально, а соответственно и максимально количество вырабатываемого электричества. Энергию солнца могут использовать не только крупные компании, но и владельцы частных домов. Например в Германии солнечные батареи устанавливаются на крыши домов, что позволяет хозяевам экономить порядка 50% всех затрат на электроэнергию. Тем более, что стоимость электроэнергии в этой стране довольно высока. К тому же, в солнечные дни количество перерабатываемой энергии может превышать необходимое. В той же Германии государство скупает эти излишки у частных лиц и перепродает скупленную электроэнергию в ночное время по более низкой цене, чем стимулирует интерес населения к установке солнечных батарей.
В самых безоблачных регионах строятся целые гелиоэлектростанции (ГЕЭС). Принцип их работы несколько отличается от солнечных батарей. Эти солнечные установки концентрируют солнечную энергию и используют ее для приведения в действие турбин, тепловых машин и т.д. В качестве примера можно привести солнечную башню в Испании. Множество зеркал направляют солнечные лучи на ее верхнюю часть, разогревая находящуюся там воду до 250 градусов. Это не только выгодно по многим параметрам, но и невероятно зрелищно.
Рис. 13 Солнечная электростанция на равнине
Одним из лидеров практического использования энергии Солнца стала Швейцария. Программа, получившая наименование «Солар-91″ и осуществляемая под лозунгом «За энергонезависимую Швейцарию!», вносит заметный вклад в решение экологических проблем и энергетическую независимость страны импортирующей сегодня более 70 процентов энергии. Здесь построено примерно 2600 гелиоустановок на кремниевых фотопреобразователях мощностью от 1 до 1000 кВт и солнечных коллекторных устройств для получения тепловой энергии.
В планах Швеции на 2020 год – полностью отказаться от УГВ топлива.
В Германии на протяжении нескольких лет функционирует государственная программа «100000 солнечных крыш».
В США запущен аналогичный проект – «Миллион солнечных крыш».
Крупнейшие производители фотоэлектрических элементов (по суммарной мощности) в России в 2010 году:
1.3.4 Достоинства и недостатки.
Достоинства:
Недостатки:
Важно подчеркнуть, что использование ВИЭ оказывается целесообразным, как правило, лишь в оптимальном сочетании с мерами повышения энергоэффективности: например, бессмысленно устанавливать дорогие солнечные системы отопления или тепловые насосы на дом с высокими тепловыми потерями, неразумно с помощью фотоэлектрических преобразователей обеспечивать питание электроприборов с низким КПД, например, систем освещения с лампами накаливания.
1.3.5 О федеральном законе № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации»
23 ноября 2009 г. Президент Российской Федерации Д.А. Медведев подписал Федеральный закон № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», который устанавливает правовые, экономические и организационные основы стимулирования энергосбережения.
В статье 11 данного закона говорится:
«Статья 11. Обеспечение энергетической эффективности зданий, строений, сооружений.
1. Здания, строения, сооружения…, должны соответствовать требованиям энергетической эффективности,…. Правительство Российской Федерации вправе установить в указанных правилах первоочередные требования энергетической эффективности.
2. Требования энергетической эффективности зданий, строений, сооружений должны включать в себя:
…2) требования к влияющим на энергетическую эффективность зданий, строений, сооружений …инженерно-техническим решениям;
3) требования к отдельным элементам, конструкциям зданий, строений, сооружений …, позволяющие исключить нерациональный расход энергетических ресурсов как в процессе строительства, реконструкции, капитального ремонта зданий, строений, сооружений, так и в процессе их эксплуатации.
Глава 2. Исследование возможности использования солнечной энергии в целях энергосбережения.
Мною было изучено достаточное количество доступной информации, необходимой для проведения соответствующих расчетов, изучены различные виды панелей, области их современного использования.
Расходы электроэнергии нашего колледжа за 2011 год составляют 138000 кВт*ч;
Pрас /Nмес= P мес
( где Pрас - расходы электроэнергии колледжа за год, Nмес - число месяцев, P мес - мощность, потребляемая за месяц);
За месяц в среднем: 138000 кВт*ч/12 мес. = 11500 кВт*ч;
P мес / Nдней = Pсут
(где Nдней - число дней в месяце, Pсут - мощность, вырабатываемая в сутки );
За сутки в среднем: 11500 кВт*ч/30 дней = 383,3 кВт*ч.
Чтобы на все 100% заменить расходы на электроэнергию, нам необходимо рассчитать количество солнечных модулей, имеющих именно такую мощность на выходе, т.е. 383,3 кВт*ч.
Количество солнечных модулей мы выбирали, исходя из количества потребляемой энергии, площади крыши нашего колледжа (необходимой для размещения солнечных модулей), не учитывая стоимостных показателей (в том числе, необходимого количества аккумуляторов, инвертора и контроллера заряда-разряда, т.е. полного комплекта солнечной мини-станции).
Данные были взяты нами для широты Москвы и месяца – июля, значение солнечной радиации составляет 167 кВт/м², при ориентации площадки на юг под углом 40° к горизонту. Это значит, что среднестатически солнце светит в июле 167 часов (5 часов в день) с интенсивностью 1000Вт/ м².
Для нашего здания мы приняли, что среднее потребление электроэнергии составляет 383,3 кВт.ч в сутки. Для обеспечения такого количества энергии солнечные панели должны набирать не менее 383,3 кВт за то время, которое на них светит солнце, при этом необходимо учесть потери на заряд-разряд АКБ, преобразование постоянного тока 24В в переменный 220В, а так же снижение КПД при перегреве солнечных модулей – которое составляет не менее 30%.
Расчет количества солнечных батарей:
При применении стандартных солнечных батарей размером 160х80 см мощность 0,15 кВт.
P сут х 30% = P пот
(где P пот - потери);
383 300 Вт/сутки × 30% = 114 990 Вт - потери.
(P сут + P пот ) / N сол. часов = P общ
(P общ - общая мощность);
(383 300Вт + 114 990Вт) : 5 часов = 99 658 Вт/час
P общ / P бат = N пан
(P бат – мощность одной батареи, N пан - число необходимых панелей);
99 658 Вт/ 150 Вт = 664 панели.
Итак, если исходить из стандартной солнечной батареи размером 160×80 см (Sсб = 1,6 × 0,8 = 1,28 м2) , мощностью 150 Вт, необходимо поставить не менее 664 панелей, общей площадью:
Sобщ = Sсб × 664 = 1,28 м2 ×664 = 850 м2
Учитывая, что примерная площадь крыши здания около 2000 м2 , реально можно было бы расположить рассчитанное нами количество солнечных модулей.
Следует оговориться, что данный расчет произведен на летний период времени.
Исходя из проведенных нами расчетов, можно сделать вывод, что в летний период времени колледж может полностью обеспечить себя «бесплатной» солнечной энергией, не прибегая к услугам городских энергоснабжающих организаций.
Заключение
В заключение можно сказать, что использование альтернативных источников энергии в последнее время становится весьма актуальным. В г. Нижний Новгород в 2011году была построена первая поликлиника, снабженная солнечными панелями для аварийного использования электроэнергии.
В своей работе я рассмотрел возможность использования электроэнергии, полученной от солнечных панелей, расположенных на крыше колледжа. Произвел расчет количества необходимых панелей. Исходя из проведенных нами расчетов, можно сделать вывод, что в летний период времени колледж может полностью обеспечить себя «бесплатной» солнечной энергией, не прибегая к услугам городских энергоснабжающих организаций.
В обозримом будущем природное топливо по-прежнему будет важным источником энергии. Однако природные ресурсы ограничены, и в конце концов человечество будет вынуждено перейти на использование энергии ветра и Солнца, о чем с незапамятных времен мечтают защитники окружающей среды.
Теоретически, каждое предприятие, здание, жилой дом может иметь свой собственный экологически чистый, возобновляемый источник энергии, что позволит достаточно существенно уменьшить затраты на использовании электроэнергии.
Литература
~ ~
Шелковая горка
На горке
Басня "Две подруги"
Весенняя гроза
Астрономический календарь. Декабрь, 2018