Применение солнечной энергии в быту

                                    19-ая  Всероссийская Олимпиада  

 учебных и научно-исследовательских проектов детей и молодежи

                                                « Созвездие »

                                                   Номинация

                                           «Энергия и человек»

 Применение

солнечной энергии

в быту

Работа

обучающейся  8 «Б» класса

МАОУ СОШ №12 им. Маршала Жукова

города-курорта Геленджик

Краснодарского края

Зайцевой Анастасии Владиславовны

Руководитель  учитель физики

и математики

Петросян Ольга Рафиковна

Содержание

Введение …………………………………………………………………..…........3

1. Теоретическая часть.

1. Из истории использования солнечной энергии…………...……....5
2. Пассивные системы использования солнечной энергии.…………6
3. Активные системы использования солнечной энергии………….7

2. Практическая часть.

1. Результаты опроса собственников домов с солнечными батареями ……………………………………………………...……9
2. Результаты онлайн опроса ………………………………..………10

Заключение …………………………………………………..…..........................11

 Список используемой литературы и интернет ресурсов………………………………………………………...………………..12

Приложение………………………………………………………………………13

Введение

В век информационных технологий люди стали использовать больше электроэнергии, чем когда-либо. Каждый день мы заряжаем телефон, включаем телевизор, компьютер и другую технику. Для удовлетворения растущих потребностей в электроэнергии необходимо большое количество электростанций. Но в настоящее время, как никогда, актуальны вопросы экологии. Уже несколько десятилетий мы слышим угрожающие фразы - «экологическая катастрофа», «мировой кризис», «нехватка природных ресурсов» и пр. Люли стали чаще задумываться о реальных альтернативных источниках энергии, которые были бы надежными , безопасными и , конечно же, тратили как можно меньше финансовых ресурсов. Самый распространенный вид электростанций это тепловые электростанции.

ТЭС выбрасывают огромное количество дыма в атмосферу, что сильно вредит нашей планете. Но отказаться от них мы не можем, так как ТЭС производят около 66% всей потребляемой энергии. На втором месте гидроэлектростанции (ГЭС)-18% , на третьем атомные электростанции (АЭС)-16%. Самый безвредный способ получения электроэнергии - ГЭС , но их не выгодно строить. В ходе этого исследовательского проекта я попробую найти альтернативное решение проблемы высокого энергопотребления и получение большего количества электроэнергии для города-курорта Геленджик и его окрестностей. Актуальность данного вопроса исходит из того, что в летнее время в городе-курорте Геленджик резко возрастает энергопотребление и имеющиеся электростанции не достаточны для обеспечение города дешевой энергией.

Я выдвинула гипотезу: а что если в частном секторе города и его окрестностей , население будет использовать солнечные батареи и тем самым снизится нагрузка на имеющиеся электростанции.

Возможности применения солнечной энергии практически неограниченны и ученые всего мира работают над разработкой систем, которые расширяют возможности использования солнечной энергии.

Один квадратный метр Солнца выделяет 62 900 кВт энергии. Это примерно соответствует мощности работы 1 миллиона электрических ламп. Ученые считают, что повсеместное использование солнечной энергии -это будущие человечества.

Цель моей работы: обосновать возможности использования солнечной энергии в городе-курорте Геленджик и его окрестностях.

Задачи работы:

1. Изучить историю развития солнечной энергетики.
2. Рассмотреть климатические условия необходимые, для установки солнечных батарей в городе-курорте Геленджик.
3. Провести опрос и узнать,  выгодно ли людям устанавливать солнечные батареи и коллекторы
4. Предоставить рекомендации по применению солнечной энергии в городе-курорте Геленджик

I.  Теоретическая часть

1. Из истории использования солнечной энергии.

В 1600 году во Франции был создан первый солнечный двигатель , работавший на нагретом воздухе и использовавшийся для перекачки воды.

В конце XVII в. ведущий  французский химик А. Лавуазье создал первую солнечную печь , в которой достигалось температура 1650С° и нагревались образцы исследуемых материалов в вакууме и защитной атмосфере , а также были изучены свойства углерода и платины .

В 1866 году француз А. Мушо построил в Алжире несколько крупных солнечных концентраторов и использовал их для дистилляции воды и приводов насосов.

На всемирной выставке в Париже в 1878 году А. Мушо продемонстрировал солнечную печь для приготовления пищи , в которой 0,5 кг мяса можно было сварить за 20 минут.

В 1885 году была предложена схема солнечной установки с плоским коллектором для подачи воды , причем он был смонтирован на крыше пристройки к дому.

Первая крупномасштабная установка для дистилляции воды была построена в Чили в 1871году американским инженером   Ч. Уилсоном. Она эксплуатировалась в течение 30 лет , поставляя питьевую воду для рудника

    В 1890 году профессор В.К. Церасский  в Москве осуществил процесс плавления металлов солнечной энергией, сфокусированной параболоидным зеркалом , в фокусе которого температура превышала 300С°.

2. Пассивные системы использования солнечной энергии.

Свет, который излучает солнце на Земле при помощи пассивных, а также активных систем превращается в тепловую энергию. К пассивным системам относятся здания, при строительстве которых применяют такие стройматериалы, которые наиболее эффективно поглощают энергию солнечной радиации. В свою очередь, к активным системам относятся коллекторы, преобразовывающие солнечную радиацию в энергию, а также фотоэлементы , конвертирующие ее в электричество.

Самый примитивный способ пассивного использования солнечной энергии – это окрашивание в темный цвет емкость для воды. Темный цвет , аккумулируя солнечную энергию , превращает ее в тепловую – вода нагревается . Однако , есть более прогрессивные методы пассивного использования солнечной энергии. Разработаны строительные технологии , которые при проектировании зданий , учета климатических условий , подбора строительных материалов максимально используют солнечную энергию для обогрева или охлаждения, освещения зданий. При таком проектировании сама конструкция здания является коллектором, аккумулирующим солнечную энергию. Так, в 100 году н.э. Плиний Младший построил небольшой дом на севере Италии. В одной из комнат окна сделаны из слюды. Оказалось, что эта комната теплее других и на ее обогрев требовалось меньше дров. В этом случае слюда служила изолятором, задерживающим тепло.

Современные строительные конструкции учитывают географическое положение зданий. При необходимости, для большего света и тепла увеличивают количество окон с восточной и западной стороны, и уменьшают с северной стороны.

3. Активные системы использования солнечной энергии

В основе активных систем использования солнечной энергии применяются солнечные коллекторы. Коллектор, поглощая солнечную энергию, преобразует ее  в тепло, которое через теплоноситель обогревает здания,  нагревает воду, может преобразовать его в электрическую энергию и т.д. Солнечные коллекторы могут применяться  во всех процессах в промышленности, сельском хозяйстве, бытовых нуждах, где используется тепло.

Первый плоский коллектор солнечной энергии был построен французом Ш.А. Тельером. Он имел площадь 20 кв.м и использовался в тепловом двигателе , работавшем на аммиаке.

Использование солнечной энергии коллекторами заключается в том, что они преобразовывают радиацию в тепло. Их разделяют на следующие основные группы:

1. Плоские солнечные коллекторы. Являются самыми распространенными. Их удобно использовать  для бытовых отопительных нужд, а также при подогреве воды для горячего водоснабжения;
2. Вакуумные коллекторы. Их используют для бытовых нужд, когда необходима вода высокой температуры. Они состоят из нескольких стеклянных трубок, проходя через которые лучи солнца нагревают их, а они в свою очередь, отдают тепло воде;
3. Воздушные солнечные коллекторы. Их используют для воздушного отопления, рекуперации воздушных масс и для осушительных установок;
4. Интегрированные коллекторы. Самые простые модели. Их используют для предварительного подогрева воды, например, для газовых котлов. В быту подогретая вода собирается в специальном баке – накопители и далее используется для различных нужд.

Использование энергии солнца коллекторами осуществляется путем накапливания ее в так называемых модулях. Они устанавливаются на крыше зданий и состоят из стеклянных трубок и пластин, которые в целях поглощения большего объема солнечного света, окрашиваются в черный цвет.

Солнечные коллекторы используют для подогрева воды для горячего водоснабжения и отопления жилых домов.

Энергия солнечной радиации может быть преобразована в постоянный электрический ток посредством солнечных батарей - устройств , состоящих из тонких плёнок кремния или других полупроводниковых материалов.

Достоинство солнечных батарей – максимальная простота конструкции , простой монтаж , минимальные требования к обслуживанию, большой срок эксплуатации. При установке не требует дополнительного места. Единственное условие – не затенять их в течение длительного времени и удалять пыль с рабочей поверхности. Современные солнечные батареи способны сохранять работоспособность в течение десятилетий. Они вырабатывают энергию в течении всего светового дня , даже в пасмурную погоду.

Солнечные батареи имеют свои недостатки в применении :

1. Чувствительность к загрязнениям (Если расположить батарею под углом 46 градусов, то она будет очищена дождями и снегом , тем самым не потребуется дополнительного обслуживания);
2. Чувствительность к высокой температуре (При нагреве до 100-125 градусов, солнечная батарея может отключиться и  может потребоваться система охлаждения.  Вентиляционная система при этом затратит малую долю вырабатываемой батареей энергии. В современных солнечных батареях предусмотрена система оттока горячего воздуха);
3. Высокая цена.

В практической части я покажу результаты проведенного онлайн опроса, и постараюсь показать выгодно или нет использовать солнечные батареи в нашем городе.

II.   Практическая часть.

1. Результаты опроса собственников домов с солнечными батареями

Хочу привести в пример как одна компания перевела на солнечную энергию целый Тихоокеанский остров. В год остров Тау потреблял 412000 литров дизельного топлива , что было очень неудобно , так как топлива привозилось на катере. Появление солнечных батарей полностью изменила жизнь на острове.

         У нас , в с. Дивноморское , многие жители применяют солнечную энергию для получения электричества и коллекторы для горячего водоснабжения. У нас дома стоят такие устройства. Мои родители очень довольны альтернативным источником энергии. Солнечные батареи обеспечивают автономным отоплением, независимым энергоснабжением. Что позволяет избежать таких неприятностей, как заморозка теплоносителя и отключения электричества. Плюсом ко всему идет небольшая экономия.

У нас в городе больше световых , солнечных дней в году, чем в других регионах и солнечные батареи использовать и выгодно, и удобно. В окрестностях Геленджика есть населенные пункты, отдаленные от традиционных электростанций и там, в основном  используют либо дизельные генераторы, либо солнечные батареи. Конечно, с точки зрения экологической целесообразности рекомендую всем жителям отдалённых от электростанции мест использовать солнечную энергию. В нашем регионе это удобно и выгодно. Приведу в пример расчет использования солнечной энергии. Для отопления частных домов обычно используют электрические котлы. В среднем, потребляемая мощность всего оборудования составляет 300Вт/час. Возможно больше. Перед индивидуальным расчетом следует заглянуть в техническую документацию, где приведены все параметры. Для получения мощности 300 Вт/час достаточно монтажа двух солнечных панелей. Распространено мнение, что такой способ обеспечить дом энергией доступен только в солнечную погоду. Это далеко не так. В состав преобразователей входит аккумулятор, который накапливает энергию,  для дальнейшего использования. Так что при отсутствии прямых солнечных лучей в пасмурную погоду дом не останется без электричества. При условии, что правильно отталкиваться от количества потребляемой энергии. Пример того, как рассчитать количество преобразователей. Допустим, что потребляемая мощность всех приборов равна 30 КВт/час. За расчетный месяц, преобразованная солнечная энергия равна 3 КВт/час.

Мощность приобретаемой батареи равна 300 Вт (0,3 КВт). После нехитрых расчетов получаем 30/3/0,3 б получаем что для поддержания работоспособности  всех домашних приборов понадобится 34 солнечных панелей.

2. Результаты онлайн опроса.

Для решения проблемы проекта, я обратилась за помощью на научный форум,  где я предложила людям , участникам этого форума, ответить на пару вопросов,  связанных с моим проектом.

1. Используете ли вы альтернативные источники энергии или знаете людей,  которые используют ее?  

На этот вопрос большинство ответило, что они не используют альтернативную энергию. Однако у некоторых  людей на даче стояли черные бочки для нагревания воды, что отчасти тоже является альтернативным источником энергии (Приложение 3).

2. Если да, то какой способ и почему, если нет, то почему?.

 Здесь так же большинство людей ответили,  что не используют ее, потому что слишком дорого устанавливать солнечные системы, и нет места для такой большой установки.  Но,  как и в первом вопросе нашлись люди, которые используют альтернативную энергию, такую так мускульная (фонарик, который работает за счет мышечной работы).

3. Какие виды получения альтернативной энергии вы знаете?

Все опрашиваемые перечислили по 4-7 видов альтернативной энергии, что очень хорошо,  ведь чем больше человек увлекается данной темой, тем больше он знает, и хочет что-то изменить.

4.Считаете ли вы перспективным использование солнечной энергии в России?

На этот вопрос 95 % людей ответили, что в ближайшее время Россия не сможет перейти на экологически чистую  энергию. И только 5% верят,  что это возможно, и я отношусь к этим 5%.

5. Считаете ли вы, что возможен полный переход на альтернативную энергетику?

Все 100% людей ответили, что это фактически невозможно и даже если альтернативная энергия займет большое место в мировой энергетике, то все равно это будет не единственный метод получения электроэнергии.

Заключение

И в заключение посчитаем, сколько среднестатистическая семья тратит на электричество. Стоимость киловатта примерно 3 рубля. Сумма разнится в зависимости от региона России. В среднем человек потребляет 100 КВт в месяц. Учтем, что на жизнь в частном доме нужно больше и умножим эту сумму на 1,5. Получается,  что семья  из трех человек тратит суммарно 450 киловатт в месяц. Это 1350 рублей. Учитывая, опять же,  индивидуальные показатели, которые могут варьироваться, округлим число до 1300. Выходит что за год на электричество тратиться 15600 рублей. Эта та сумма, которую мы экономим при использовании  солнечных батарей. Теперь разделяем полную сумму системы на годовую экономию и получаем срок окупаемости, равный годам. И это как минимум ведь в регионах, где инсоляции меньше панелей понадобиться больше. Срок службы системы – от 25 лет. То есть система не успеет себя окупить за свой срок службы. Но использование солнечной энергии поможет  в сохранении нашей планеты.

В будущем, благодаря новым разработкам, которые должны привести к снижению затрат и повышению эффективности, солнечные технологии будут иметь гораздо большее значение, чем сейчас. Все больше и больше появляется зарядных устройств на солнечных батареях для мобильной техники, при строительстве используют активные и пассивные солнечные системы и учатся включать из в строительные конструкции. В некоторых местностях, с экономической точки зрения, солнечные системы горячего водоснабжения могут конкурировать с обычными системами.

Shell прогнозирует, что к 2040 году 50% мировой энергии будет поступать из возобновляемых источников. Германия и Япония благодаря хорошему финансовому стимулированию стали мировыми лидерами в области солнечной энергетики и, вероятно, в ближайшее время солнечные  батареи будут удовлетворять более половины потребностей страны в электроэнергии. Также ожидается, что в ближайшие несколько лет миллионы семей в мире начнут использование солнечной энергии, особенно в США и Японии.

 Но есть, конечно, и свои минусы: поток солнечной энергии на поверхности Земли сильно зависит от широты и климата. В разных местах среднее количество  солнечных дней в году может различаться очень сильно. У нас, в Геленджике и его окрестностях, солнечных дней в году гораздо больше, чем в центральной части России и на Севере, и поэтому использование солнечной энергии выгодно.

Выводы:

          - солнечные батареи имеет смысл использовать в тех случаях, когда стоимость электричества очень высока или его нет;

         - с экологической точки зрения использования солнечной энергии поможет сохранить исчерпаемые  полезные ископаемые, уменьшит выбросы в  атмосферу ядовитых газов, продуктов сгорания;

        - проведя опрос, я поняла, что люди знают о пользе солнечной энергии и не безучастны к развитию этой промышленности;

         - наша Земля останется чистой и благоприятной для жизни.

Список используемых ресурсов.

1. http://mirenergii.ru
2. http://galspace.spb.ru
3. http://nature-time.ru
4. http://www.myshared.ru
5. https://dxdy.ru - научный форум
6. https://dxdy.ru/topic124466.html - опрос на форуме
7. https://docs.google.com/forms - прототип опроса