«Эффективность использования солнечных батарей в энергосберегающих домах в условиях города Выкса»

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение средняя общеобразовательная школа №8 городского округа

город Выкса Нижегородской области

«Эффективность использования солнечных батарей в энергосберегающих домах в условиях города Выкса»

Отделение естественнонаучное

Секция физическая

Работу выполнил:

Юдин Сергей Алексеевич –

Учащийся 8"в" класса.

Руководитель:

учитель физики МБОУ СОШ №8

Гусева Александра Александровна

г. Выкса.

2014 г.

«Эффективность использования солнечных батарей в энергосберегающих домах в условиях города Выкса»

Отделение естественнонаучное

Секция физическая

8 класс

г. Выкса.

2014 г.

Оглавление

Аннотация        

Введение.        

Глава 1. История энергосбережения.        

1.1.Подходы к энергосбережению в досовременные эпохи.        

1.2. Современная история.        

Глава 2. Сравнение опыта строительства энергосберегающих домов в Европе и России.        

Глава 3. Принцип работы и применение солнечной батареи.        

Глава 4. Практическая часть.        

4.1. Сборка электрической цепи и снятие показаний с приборов.        

4.2. Расчеты на основе полученных данных        

Заключение.        6

Список литературы        7

Приложение.        8

Аннотация

Объект исследования: солнечная батарея.

Предмет исследования: эффективность использования солнечной батареи с точки зрения энергосбережения.

Цель работы: изучение эффективности солнечной батареи в условиях российского климата.

Задачи:

1. изучить литературу по теме исследования, с целью поиска данных;
2. обобщить, проанализировать и систематизировать информацию;
3. исследовать зависимость силы тока и напряжения от освещённости;
4. экспериментально определить работу тока в цепи с солнечной батареей;
5. сделать выводы.

Гипотеза: использование солнечной батареи в проекте энергоемкого дома способствует сбережению ресурсов.

Ожидаемые результаты:

1. изучена литература, собран необходимый для исследования материал;
2. получены практические навыки работы с солнечной батареей;
3. произведены необходимые расчеты и сделаны выводы.

Данное исследование имеет практическую значимость, т. к. оборудование и приборы, основанные на энергосберегающих технологиях, потребителем востребованы как никогда. Материалы содержат расчёты об эффективности солнечной батареи как источника энергии.

Введение.

Энергосберегающие технологии для домаочень актуальны на сегодняшний момент. Современность нас заставляет думать об экономии электроэнергии, воды, тепла и так далее. Эти идеи воплощены в создании проектов энергоемких домов. В этих домах обеспечивается эффективный теплообмен, и потери тепла сокращены до минимума. Возможно, что в будущем эти дома будут очень востребованы, поскольку человечество на современном этапе развития столкнулось с проблемой ограниченности ресурсов. Именно поэтому мне стало интересно исследовать этот вопрос более подробно. Кроме того, в настоящее время моя семья занимается строительством дома для меня и мне захотелось внести свой вклад в создание проекта будущего дома. Одним из способов экономии ресурсов является использование солнечной батареи, поскольку плата за электроэнергию достаточно высокая.

Цель работы: изучение эффективности солнечной батареи в условиях российского климата.

Задачи:

1. изучить литературу по теме исследования, с целью поиска данных;
2. обобщить, проанализировать и систематизировать информацию;
3. собрать электрическую цепь,используя солнечную батарею как источник питания;
4. снять показания силы тока и напряжения в различных погодных условиях;
5. произвести необходимые расчеты;
6. сделать выводы.

Объект исследования: солнечная батарея.

Предмет исследования: эффективность использования солнечной батареи с точки зрения энергосбережения.

Гипотеза: использование солнечной батареи впроекте энергоемкого дома способствует сбережению ресурсов.

Ожидаемые результаты:

1. изучена литература, собран необходимый для исследования материал;
2. собрана электрическая цепь с источником питания - солнечной батареей;
3. получены необходимые показания в различных погодных условиях;
4. произведены необходимые расчеты и сделаны выводы.

Данное исследование имеет практическую значимость, т. к. оборудование и приборы, основанные на энергосберегающих технологиях, потребителем востребованы как никогда. Материалы содержат расчёты об эффективности солнечной батареи как источника энергии и могут быть полезны тем, кто строит собственный дом.

Обзор литературы

При проведении исследования много информации мне открыла книга Мансурова Н.Н., Попова В.С. "Теоретическая электротехника». В ней содержится достаточно полная информация о процессах, происходящих в электрических полях и цепях постоянного и переменного тока. Изложение поясняется большим количеством примеров. Не менее интересной и познавательной для меня была книга  Любимова К.В., Новикова С.М.  «Знакомимся с электрическими цепями. Пособие для любознательных юных физиков». Эта книга научила меня разбираться в схемах электрических цепей и собирать их. В учебнике Мякишева Г.Я.  «Физика. 11 класс» я нашел очень полную информацию о фотоэлементах. Разобраться в значениях терминов помог Интенет-словарь и сайт «Википедия. Свободная энциклопедия».

Для проведения исследования мною был составлен план.

Шаг 1. Изучить литературу.

Шаг 2. Обобщить и систематизировать собранный материал.

Шаг 3. Составить схему электрической цепи используя солнечную батарею как источник питания без нагрузки.

Шаг 4. Собрать данную цепь.

Шаг 5. Снять показания силы тока и напряжения с приборов в солнечную и облачную погоду.

Шаг 6. Сделать выводы.

Шаг 7. Составить схему электрической цепи используя солнечную батарею как источник питания с потребителем электрической энергии в виде светодиодной лампочки.

Шаг 8. Снять показания силы тока и напряжения с приборов.

Шаг 9. Сделать расчеты, используя полученные данные.

Шаг 10. Сделать выводы.

Глава 1. История энергосбережения.

Для более точного определения термина «энергосбережение» я обратился кИнтернет– словарю, в котором дается следующее определение этого слова. Энергосбережение –этореализация правовых, организационных, научных, производственных, технических и экономических мер, направленных на рациональное использование топливно-энергетических ресурсов и на вовлечение в хозяйственный оборот возобновляемых источников энергии.

Таким образом, вопросы энергосбережения связаны со многими науками и сферами общественной деятельности. Далее в своей работе я хочу обратиться к истории энергосбережения.

1. Подходы к энергосбережению в досовременные эпохи.

История энергосбережения уходит корнями в прошлое и связана с историей человечества. Первобытная эпоха и Древний мир характеризовались преобладанием физического труда. Но уже в эпоху Античности произведено крупное открытие в области энергосбережения, которое можно отнести к использованию альтернативных источников энергии - использование энергии воды и ветра. В эпоху Средневековья и Нового времени наступил период коренного преобразования практически во всех сферах, связанных с физическим трудом. Приобрели массовую популярность ветряные и водяные мельницы как альтернативные  источники энергии с последующей их модернизацией. Появление двигателя внутреннего сгорания и электромоторов в XIX веке полностью меняет подход к энергосбережению.

1.2. Современная история.

Современная история энергосбережения начинается с принятия первого закона энергосбережения, регламентирующего теплотехнические характеристики ограждающих конструкций зданий в Великобритании в 1965 году.Примерно в это же время в СССР на съездах КПСС обсуждался вопрос о необходимости снижения удельных энергозатрат на единицу продукции, однако дельных мер предпринято не было ни у нас, ни в других странах.

В нашей стране первые попытки для реального, а не формального развития энергосбережениябыли предприняты с опозданием на несколько десятков лет. После принятия Федерального закона №261 "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности" в декабре 2009 г., нескольких заседаний Государственного совета, посвященных этому вопросу, соответствующих Постановлений Правительства РФ в январе 2011 г. и началась реализация федеральных и региональных программ по энергосбережению.

В странах Западной Европы только в 2009 г. реально начала действовать "Программа 20-20-20", которая была принята Европейским Парламентом ещё 17 декабря 2008 г. Свою лепту также внесли события, случившиеся после аварии на АЭС "Фукусима-1" в Японии в марте 2011 г.

Таким образом, проблема энергосбережения известна с давних пор, однако большое внимание она получила только с развитием технического прогресса.

Глава 2. Сравнение опыта строительства энергосберегающих домов в Европе и России.

Особенность европейского менталитета «любовь к экономии» заставила создавать жилье, которое способно быстро прогреваться и максимально долго удерживать тепло в доме. Первый опыт строительства энергосберегающих домов был предпринят в Германии. Где дома с деревянным прочным "скелетом" строили еще с XII века, и немецкое название "фахверк" вместе с технологией распространилось по всей Европе. В Британии и Голландии фахверковые дома стали даже популярней, чем в Германии. Ограждающие конструкции домов "Фахверк" имели неоспоримое преимущество по теплоизоляции, по сравнению с избами, срубами, лачугами с соломенной крышей.

При строительстве энергосберегающих домов европейские инженеры учли три важных момента:

1) нагрев воздуха в помещениях дома должен происходить быстро;

2) тепловая энергия не должна теряться по дороге от источника нагрева к системе обогрева дома;

3) стены дома не должны выпускать теплый воздух наружу.

В России решением проблемы сохранения тепла заставляет заниматься сложный климат и холодные зимы. Сегодня в РФ даже действует целая программа энергосбережения, требующая строить жилье с учетом определенных параметров.

Однако использование при строительстве традиционных стройматериалов – камня, кирпича, бетона и дерева, проблемы только усугубляет.Наше представление о том, что теплый дом может быть только из дерева – ошибочно.

Европейский энергосберегающий дом – дом автономный, отапливаемый собственным котлом в замкнутой системе отопления. Никакого центрального водяного или газового отопления, которое теряет тепло еще на подходах к дому!

Однако в российских условиях системы автономного отопления пока устанавливать дорого, а топливо к ним приобретать сложно. Технологию энергосберегающих домов для России предложили канадцы – их каркасные дома на основе утепленных Sip-панелей быстро прогреваются, идеально долго сохраняют тепло, а система инженерных коммуникаций позволяет установить автономную систему отопления, сократив потери тепла.

Таким образом, европейский опыт строительства энергосберегающих домов заставляет задуматься об эффективности нашей системы государственного сбыта энергоресурсов – она нежизнеспособна в условиях российского климата и при современной моде на малоэтажное загородное жилье.

Глава 3. Принцип работы и применение солнечной батареи.

В Интернет-словаре я узнал, что солнечная батарея — это несколько объединённых фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) — полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток.

Различные устройства, позволяющие преобразовывать солнечное излучение в тепловую и электрическую энергию, являются объектом исследования гелиоэнергетики (от греч.Helios — Солнце). Крупные солнечные установки, использующие высококонцентрированное солнечное излучение в качестве энергии для приведения в действие тепловых и других машин (паровой, газотурбинной, термоэлектрической и др.), называются Гелиоэлектростанции (ГЕЭС).

Солнечные батареи — один из основных способов получения электрической энергии на космических аппаратах: они работают долгое время без расхода каких-либо материалов, и в то же время являются экологически безопасными, в отличие от ядерных и радиоизотопных источников энергии.

Мощность потока солнечного излучения на входе в атмосферу Земли составляет около 1366 ватт на квадратный метр. В то же время, удельная мощность солнечного излучения в Европе в очень облачную погоду даже днём может быть менее 100 Вт/м². С помощью наиболее распространённых промышленно производимых солнечных батарей можно преобразовать эту энергию в электричество с эффективностью 9—24 %. В начале 2013 г. Sharp создала солнечную батарею с КПД 44%.

Производство фотоэлектрических элементов развивается быстрыми темпами в самых разных направлениях. Солнечные батареи бывают различного размера и имеют разное назначение (для обеспечения электричеством или подзарядки аккумуляторов различной бытовой электроники, подзарядка электромобилей, на крыше дома, на спутниках)

Солнечные батареи крупного размера очень широко используются в тропических и субтропических регионах с большим количеством солнечных дней. Особенно популярны в странах Средиземноморья, где их помещают на крышах домов.

Новые дома Испании с марта 2007 года оборудованы солнечными водонагревателями, чтобы самостоятельно обеспечивать от 30 % до 70 % потребностей в горячей воде, в зависимости от места расположения дома и ожидаемого потребления воды. Нежилые здания (торговые центры, госпитали и т. д.) должны иметь фотоэлектрическое оборудование.

В Нидерландах запущен проект по созданию оконного стекла «SmartEnergyGlass» с функциональностью фотоэлемента.

Таким образом, использование солнечных батарей не только возможно, но и достаточно эффективно  в условиях большого светового дня. Мне стало важно проверить какова эффективность солнечной батареи в условиях города Выкса.

Глава 4. Практическая часть.

4.1. Сборка электрической цепи и снятие показаний с приборов.

Меня привлекла идея использования солнечной батареи для домашних нужд. Я решил исследовать эту проблему более подробно. Для этого мне необходимо было собрать электрическую цепь, состоящую из солнечной батареи, амперметра и вольтметра, в которой солнечная батарея является источником питания.^[1] Я использовал приборы из комплекта оборудования для кабинета физики. Технические характеристики приборов и оборудования приведены в приложении. Я снимал показания приборов в солнечный и облачный день в определенное время, а затем фиксировал их в таблицу.

Таблица 1.

Показания, снятые с приборов электрической цепи

На основе полученных данных мною составлены графики зависимости силы тока и напряжения от времени.

График 1.

График зависимости силы тока от времени

График 2.

График зависимости напряжения от времени

В результате проделанного эксперимента сделаны следующие выводы:

1. Чем выше освещенность, тем больше сила тока и напряжение.
2. Чем выше освещенность, тем большую работу производит электрический ток.
3. При увеличении освещенности увеличивается и эффективность солнечной батареи.

Таким образом, мною обнаружено, что эффективность солнечной батареи увеличивается с увеличением освещенности. Далее мне стало интересно рассчитать, какую работу будет производить электрическое поле, созданное солнечной батареей за 1 час в солнечный день. Для этого я составил схему электрической цепи, в которой в качестве потребителя энергии использовал светодиодную лампочку вместо лампы накаливания, поскольку для работы лампы накаливания данный источник энергии создавал недостаточное напряжение^[2].

После снятия показаний, мне было необходимо произвести расчеты.

4.2. Расчеты на основе полученных данных

Прежде всего, мне нужно произвести расчет работы электрического тока. Расчеты производим по формуле: А=UIt.

А1=1,8 В0,03 А1ч=0,054 Втч, где А1 –работа одной солнечной батареи.

Теперь мне необходимо вычислить площадь солнечной батареи. Расчеты производим по формуле: S=ab.

S=3,4 см2,5 см=8,5 см2=0,00085 м2

Для того, чтобы заполнить солнечными батареями площадь в 85 м2(что сопоставимо с площадью крыши нашего дома) понадобиться 100000 солнечных батарей площадью 0,00085 м2. Такая солнечная панель может произвести работу А=100000А1

А=1000000,054 Втч=5400Втч=5,4 кВтч

У меня получилось, что солнечная панель площадью 85 м2 в течение 1 часа работы в солнечный день будет производить энергию равную 5,4 кВт×ч.

Если в среднем в месяц моя семья потребляет около 200 кВт×ч электроэнергии, то для обеспечения потребности в электричестве за счет энергии Солнца понадобится 200/5,4=37 ч работы солнечной панели в месяц в ясные дни.

Таким образом, результаты вычислений свидетельствуют о том, что использование солнечных батарей в городе Выкса достаточно эффективно.

Заключение

В результате проделанного эксперимента я сделал следующие выводы:

1. Чем выше освещенность, тем больше сила тока и напряжение.
2. Чем выше освещенность, тем большую работу производит электрический ток.
3. При увеличении освещенности увеличивается и эффективность солнечной батареи.

Таким образом, я понял, что основное преимущество энергоэффективных домов - это сохранение энергии за счет конструктивных особенностей дома. Технологии, используемые в доме, позволяют жильцам экономить до 70% на оплате коммунальных услуг. Однако строительство энергоэффективных домов в России связано с трудностями. Такими как, суровый климат, высокая цена солнечных батарей и др.

Данное исследование было для меня очень полезно, так как оборудование и приборы, основанные на энергосберегающих технологиях, очень востребованы в современном обществе. Кроме того я научился: собирать электрические цепи; производить замеры и расчеты.

Список литературы

1. Мансуров Н.Н., Попов В.С. "Теоретическая электротехника», М.: Государственное энергетическое издательство, 1958.
2. Любимов К.В., Новиков С.М.  «Знакомимся с электрическими цепями. Пособие для любознательных юных физиков»,М.:«Наука», 1981.
3. Перышкин А.В. «Физика 8 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений», М. «Дрофа», 2006.
4. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. "Физика. 11 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений", М.:«Просвещение», 2010.

Интернет-ресурсы

5. http://ru.wikipedia.or  - Википедия свободная энциклопедия
6. http://ru.wiktionary.org - Вики-словарь

Приложение

Рис. 1. Схема энергосберегающего дома

Рис. 2. Дерево из солнечных панелей в Глайсдорфе

Рис. 3.Зарядное устройство

Рис. 4. Солнечные батареи на крыше автомобиля.

Рис. 5.Солнечные батареи на крыше коровника кибуца Гезер (Израиль)

Рис. 6.Солнечные батареи на крыше дома

Рис. 7. Солнечно-ветровая энергоустановка

Рис. 8.Солнечная батарея на МКС

Рис 9. Схема электрической цепи 1 (составлена автором)

Рис. 10. Схема электрической цепи 2 (составлена автором)    

Фото 11. Испытание и снятие показаний электрической цепи.

Фото 12. Свечение диода.

Фото 13. Электрическая цепь в работе.

Технические характеристики приборов:

1. Амперметр лабораторный
2. Миллиамперметр лабораторный  
3. Вольтметр лабораторный
4. Батарея солнечная кремневая.