Исследовательская работа "Приручение Солнца"

Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение «Ржавская основная общеобразовательная школа» Большесолдатского района Курской области

Районная политехническая олимпиада среди обучающихся образовательных учреждений района».

Номинация: «Энергия и человек»

Исследовательская работа по теме:

(Расчет возможных экономических затрат по использованию солнечных батарей для электроснабжения моей школы)

           Автор: Мельников Евгений, 7 класс

Руководитель: Чупикова Р.И., учитель математики

с Ржава, 2015 г

Содержание:

1. Введение_________________________________________________ 1
2. Расчет затрат на электрическую энергию в нашей школе ___________ 3
3. Практическое использование солнечной энергии в нашем районе ___ 5
4. Светлое будущее солнечной энергии __________________________ 7
5. Принцип применения солнечной энергии ______________________ 8
6. Расчет мощности и стоимости солнечных батарей для нашей школы  10
7. Выводы _________________________________________________ 12
8. Литература

Введение.

Мы уже знаем,  что самой главной задачей ученых является получение различных видов  энергии, которая служила бы человеку.

Что же такое энергия? Греческое слово "энергеа" означает "деятельность". Физики называли сначала энергией способность различных предметов совершать работу. Говорили, например, о потенциальной энергии поднятого вверх молота: падая на наковальню, молот плющит металл - энергия превращается в работу. Чем выше поднят молот, чем он тяжелее, тем больше его потенциальная энергия и тем больше будет работа.

Но после того как было непреложно доказано, что движение материи превращается из одного вида в другой (движение падающего молота превращается, например, в тепло: нагреваются и расплющенный кусок металла, и сам молот), энергией стали называть общую меру различных форм движения материи: и крупных тел, и атомов, и электромагнитных волн, и всякого рода физических полей. Стало возможно измерять различные по внешним признакам движения одним общим "масштабом".Ученые нашли точные соотношения, по которым одни виды движения (виды энергии, как говорят для удобства) переходят в другие. Так был сформулирован закон сохранения и превращения энергии. Соответственно многообразию форм движения материи существуют различные виды энергии: механическая (энергия механического движения), тепловая (энергия хаотического движения больших количеств частиц - молекул, атомов и ионов), электромагнитная (энергия электромагнитного поля), ядерная, или атомная (энергия, связанная с взаимодействием ядерных частиц), гравитационная (энергия гравитационного поля - поля тяготения) и др. И подобно тому как из 7 нот образуется все многообразие музыки, так из различных форм энергии образуется все великое разнообразие процессов, бушующих во Вселенной.

Однако, чтобы существующая во Вселенной энергия стала полезной человеку, стала его помощником в работе, он должен был научиться "приручать" ее: преобразовывать один вид энергии в другой, передавать на далекие расстояния и использовать. Эта область человеческой деятельности называется энергетикой. Овладеть энергией можно только с помощью каких-либо устройств и машин. Поэтому вся история технического прогресса - это история изобретения и создания этих устройств и машин.

Из    всех   отраслей   хозяйственной   деятельности   человека энергетика оказывает   самое   большое   влияние   на   нашу   жизнь. Тепло и свет в домах, транспортные потоки и   работа   промышленности – все это требует затрат энергии.  [2]

     Перед   человечеством   уже   сегодня    встает    задача    освоения        неисчерпаемых источников энергии. В   течение   нынешнего  века   начнется   переход   к   альтернативным источникам энергии, эпоха «черного золота» пройдет и что произойдет с экономикой стран зависящих от нефти можно только догадываться. У солнечной энергии два основных преимущества. Во-первых, ее много и она относится к возобновляемым энергоресурсам: длительность существования Солнца оценивается приблизительно в 5 млрд. лет. Во-вторых, ее использование не влечет за собой нежелательных экологических последствий. Экологи убеждены, что к 2030 - 2050 гг. нетрадиционные источники энергии (это  солнце, ветер, океанические приливы, тепло земных глубин) будут основными, а традиционные, напротив, потеряют свое значение. Постепенно человек сумел овладеть энергией ветра, водяного потока, органического топлива: дров, угля, нефти, природного газа. Он начинает осваивать ядерную энергию, энергию Солнца и внутреннего тепла Земли. Он научился пользоваться энергией поля Земли, а в последнее время начинает использовать для полета космических станций поля тяготения Луны, планет Солнечной системы и самого Солнца.

Актуальность работы объясняется новыми веяниями в науке, новыми гипотезами и теориями об использовании солнечной энергии, а также использование в настоящее время солнечных батарей и других поглотителей солнечных лучей.

Целью работы является:  установить возможность применения существующих методов использования солнечной энергии для электроснабжения моей школы.

Задачи:

  - изучая  литературные источники, раскрыть представления о природе солнечной энергии;

 - выяснить, какими способами можно накапливать и использовать солнечную энергию;

 - рассчитать возможные экономические затраты на установку оборудования и срок его окупаемости.

Метод исследования, применяемый при написании работы, можно охарактеризовать как теоретический, основанный на анализе различных источников информации.

Объект исследования: солнечная энергия.

Предмет исследования: размещение на крыше школы поглотителей солнечной энергии.

1. Расчет затрат моей школы на электрическую энергию.

Я обучаюсь в сельской малокомплектной  нетиповой школе, которая находится в селе Ржава Большесолдатского района Курской области, где я родился и вырос. Наша школа небольшая, но очень уютная. Несмотря на то, что у школы почтенный возраст (ей больше 100 лет) и состоит она из двух зданий и столовой общей площадью 210  м2 , вся наша школьная семья  её очень любит. Все тут по-домашнему.

 В соответствии с требованиями, школа оснащена необходимым оборудованием, для питания которого требуется достаточно большое количество электроэнергии. Все классные комнаты освещаются основными и дополнительными лампами дневного света  мощностью 36 Вт, имеется компьютерный класс с различными многофункциональными устройствами, проекторами, интерактивная доска, в каждом кабинете есть телевизор, ноутбук и другие приборы, потребляющие электроэнергию. Перечисленные электроприборы работают ежедневно в течение 5 – 6 часов, свет горит с 8 до 15ч (в осенне-зимний период с 8 до 17 часов), выключается только на переменах, школьные коридоры освещены практически круглосуточно. В ночное время школа освещается по периметру территории. В школьной столовой завтракают и обедают 100% школьников. Столовая оборудована двумя электроплитами и духовым шкафом,  тремя холодильниками,  электрическим водонагревателем.

Расход электроэнергии за 2014 год представлен  диаграммой.

Годовое потребление электроэнергии -  5500 кВт. При стоимости 4, 91104 руб за 1 кВт, затраты составили 27010, 72 руб. Сумма существенная. Так  возникла идея применения альтернативного источника энергии, позволившего бы существенно сократить расходы на электроэнергию в нашей школе. Тем более, что опыт «приручения» солнечной энергии в нашем районе уже имеется.

2. Практическое использование солнечной энергии в нашем районе

Живет в селе Большесолдатское семья молодого инженера Петра Николаевича Тимофеева,  которую  проблема повышения тарифов  на услуги ЖКХ давно не волнует: её поставщики света и тепла – солнце и ветер – счета не выставляют. Тимофеев -  хозяин единственного в области частного дома, автономно живущего за счет экологически чистых источников энергии.

Его первая «солнечная батарея» была предельно простой: два стекла, наподобие современного пластикового стеклопакета, между ними пенопласт, играющий роль изолятора и черная пленка. Тимофеев собрал эту конструкцию в феврале. На улице – минус 10, а воздух внутри стеклопакета за 15 минут нагрелся до плюс 80.

Через несколько месяцев крыша дома Тимофеевых превратилась в большую солнечную ловушку. «По сути – это теплица, я не придумал ничего нового, – признается инженер. – Стену и крышу сделал из поликарбоната, он отлично пропускает солнечные лучи. Черное дно коллектора в значительной степени поглощает их, начиная излучать инфракрасные лучи. В нижнем направлении путь им преграждает слой теплоизоляции. Горячим воздухом можно отапливать дом или нагревать воду, а потом использовать ее по своему усмотрению».

Ситуация для Курской области почти фантастическая, у нас и в городе сосульки с крыш не успевают почистить. А ведь солнечные коллекторы вполне могли заменить систему центрального отопления во многоэтажках. «При ремонте фасадов вместо очередного слоя штукатурки, маскирующего облезлости, на стену можно поместить такие коллекторы, – мечтает Тимофеев. – Они и выглядят интересно, и польза несомненная. Активность солнечной энергии на 1 квадратный метр – 1400 ватт. До Земли доходит приметно один киловатт. Даже при КПД коллектора 30% с 10 кв. метров можно снимать 3 кВт в час. [3]

 В Европе около 15% вырабатываемой энергии приходится на альтернативные источники. В Австрии и Греции на тысячу жителей – около 300 квадратных метров солнечных коллекторов. В России экономить природные ресурсы еще не научились. «Теплица» на крыше Петра Тимофеева, скорее всего, единственная солнечная батарея на всю Курскую область. Кстати,  38-летний инженер из Большесолдатского Пётр Николаевич Тимофеев стал Лауреатом областной премии общественного признания «Человек года» на приз «Курская антоновка -  2013» в номинации «Золотые руки».

3. Светлое будущее солнечной энергии

Один из самых перспективных вариантов развития экологически чистой энергетики – солнечная. Суть ее в получении энергии прямо от Солнца, свет которого в достаточном количестве поступает на Землю. Изначально энергия поступала от нашей звезды на поверхность планеты, где превращалась в тепло либо в органику с помощью растений. Именно растительные останки, такие, как нефть, газ, уголь или торф и использовались человечеством в его целях.

Прямое же преобразование солнечного света позволит провести процесс по другому, более короткому циклу. Это уменьшит потери энергии и его длительность. Кроме того, в ближайшие пять миллиардов лет поток света не пропадет, а, следовательно, этот источник энергии можно считать практически вечным. Еще один плюс использования Солнца – от него нет отходов. Никакие радиоактивные полураспавшиеся материалы не нужно захоранивать под землей, на дне или в космосе.

Плюсы и минусы солнечной электроэнергии

Плюсы:
- Неистощимость;
- Малая степень загрязнения окружающей среды;
- Доступность;
- Эффективность.

Минусы:
- Малое время накопления энергии (в лучшем случае половину всего времени света нет);
- Высокая стоимость оборудования;
- Зависимость от погодных условий.
[1]
По расчетам ученых, уже через двадцать – тридцать лет большая часть энергии на Земле будет добываться из света.

4. Принцип применения солнечной энергии

Получать энергию из солнечного света можно двумя путями – через тепло или напрямую.

Первый способ гораздо проще. Для этого необходимо направить лучи на какой–либо объект, который, будет нагреваться, собирать тепло и проводить его далее по циклу. Как пример можно взять систему приготовления пищи с помощью Солнца.

Для этого устанавливается специальная система зеркал, которые собирают свет и направляют его на посуду, нагревая ее. Конечно, высоких температур таким образом достичь не удастся, но для разогревания чего–либо такая система вполне подходит.

Второй же способ подразумевает наличие специального элемента, преобразующего энергию квантов света напрямую в электричество. Это гораздо дороже, но и эффективность таких приборов на порядок выше. В настоящий момент такие системы используются для создания солнечных батарей – плоских панелей, преобразующих свет. Они применяются достаточно часто, в основном, как дополнительный источник энергии. В европейских странах создаются целые «фермы», состоящие из таких панелей с большой площадью, заменяющих другие электростанции.

Преимущество таких панелей в том, что их можно располагать на любой горизонтальной поверхности – крышах, лужайках или, скажем, кепках. Отдельное внимание стоит уделить использованию таких систем в космонавтике, где из-за невозможности обеспечить аппараты топливом солнечные батареи занимают основное место в выработке энергии.

Солнце – неисчерпаемый и мощный источник энергии, который отличается доступность и чистотой. Именно поэтому передовые разработки в области экологически чистой энергетики ведутся именно в области переработки света. [4]

5. Расчет мощности и стоимости солнечных батарей для нашей школы

Проанализировав информацию о солнечных батареях и учитывая тот факт, что основное потребление электроэнергии приходится на осенне-зимний период, я пришел к выводу о том, что оптимальное значение мощности используемых батарей 250 Вт (0,25 кВт).

Энергопотребление школы за сутки (максимальное) 24кВт. Иными словами, именно столько должны вырабатывать солнечные батареи (причем минимум!), чтобы обеспечить снабжение нужных потребителей. Но поскольку в систему солнечной станции входят не только батареи, но и вспомогательное оборудование (инверторы, аккумуляторы, зарядные контроллеры), это нужно учитывать. Дело в том, что, например, в аккумуляторах происходит определенное падение энергии (порядка 20%). Дальнейший расчет должен это учесть, поэтому полученное базовое значение надо увеличить на данную величину. Получим – 28,4 кВт.

Инсоляция (грубо говоря, количество солнечной энергии, попадающее на единицу площади) – очень важный параметр. Расчет солнечных батарей должен обязательно его учитывать. Ведь если в ходе эксплуатации гелиосистемы солнца постоянно будет недостаточно, то даже самая производительная фотопанель не сможет выдавать заданную мощность, а значит, не обеспечит требуемого энергоснабжения. Значения инсоляции я взял на сайтах метеорологов. В Курской области в зимние месяцы инсоляция составляет в среднем 0,5 кВтч/м2. В результате, округляя в большую сторону, получим: 28,4/0,5/0,25 = 46 штук.

Согласно прайс-листам на солнечные панели в Курске, их цена колеблется в пределах 12 000 руб. Цена зависит от многих факторов, начиная от материала из которого она изготовлена, размеров  и заканчивая страной – производителем.

Таким образом,  затраты на приобретение батарей составят 552000 руб. Окупится такая установка через 18 лет. Долго? Это лучше, чем никогда. Да и наука не стоит на месте, ученые ищут новые материалы, способные освоить большую долю световой энергии, совершенствуют технологию  производства, что несомненно приведет к удешевлению солнечных батарей.  За альтернативными источниками энергии – будущее.

6. Выводы:

1. Считаю, что реально использование солнечных батарей для обеспечения школы электроэнергией.
2. Солнечные батареи можно использовать для электроснабжения школы в осенне-зимний период, хотя бы частично компенсируя нынешние затраты.
3. Нужно верить в лучшее будущее, научно-технический прогресс идёт вперёд.

Литература:

1. Кашкаров А.П. Ветрогенераторы, солнечные батареи и другие полезные инструкции. Изд.ДМК Пресс, 144с.
2. Детская энциклопедия, Т.3 ст «Энергия»
3. Газета-еженедельник  «Друг для друга» № 16 (862) от 19 апреля 2011г, ст. «Кулибин из Большесолдатского»
4. Интернет-источники: http://solarb.ru/kak-rasschitat-neobkhodimoe-kolichestvo-solnechnye-batarei-dlya-doma
   Сайт Толковый Электрик http://electric-tolk.ru/