XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА ДЛЯ ДОМА

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Морозова Е.В. 1

---

1МОУ СОШ №11

Иванин А.В. 1

---

1МОУ СОШ №11

Работа в формате PDF

368.9 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение.

Наука подарила нам время, когда технология использования энергии солнца стала общедоступной. Заполучить солнечные батареи для дома имеет возможность всякий собственник. Дачники не отстают в этом вопросе. Они чаще оказываются вдали от централизованных источников устойчивого электроснабжения.

Раньше фотоэлементы использовались почти исключительно в космосе, например, в качестве основного источника энергии спутников. С тех пор солнечные батареи все больше входят в нашу жизнь: ими покрывают крыши домов и машин, используют в наручных часах и даже в темных очках.

Ученые научились управлять этим микрофизическим явлением. На основе полупроводниковых материалов они создали компактные электронные приборы – фотоэлементы. Производители освоили технологию объединения миниатюрных преобразователей в эффективные гелиопанели. КПД панельных солнечных модулей из кремния широко производимых промышленностью составляет 18-22%. Лучшие образцы перешли 40-процентный барьер КПД.

Из модулей собирается солнечная батарея. Она является конечным пунктом путешествия фотонов от Солнца до Земли. Отсюда эти составляющие светового излучения продолжают свой путь уже внутри электрической цепи как частицы постоянного тока.

Моя работа посвящена одному из альтернативных источников энергии – солнечной энергетике на территории Ставропольского края.

Цель работы: выяснить целесообразность применения солнечных панелей для снабжения электричеством частного домовладения.

При этом мне пришлось решить ряд задач:

1. Узнать принцип действия солнечных батарей

2. Узнать из каких основных устройств состоит солнечная электростанция для дома

3. Узнать достоинства и недостатки солнечной электростанции

Принцип действия солнечных панелей.

Как же функционируют солнечные батареи?

Солнечные панели состоят из фотоэлектрических ячеек, запакованных в общую рамку. Каждая из них сделана из полупроводникового материала, например, кремния, который чаще всего используется в солнечных батареях.

Когда лучи падают на полупроводник, тот нагревается, частично поглощая их энергию. Приток энергии высвобождает электроны внутри полупроводника. К фотоэлементу прилагается электрическое поле, которое направляет свободные электроны, заставляя их двигаться в определенном направлении. Этот поток электронов и образует электрический ток.

Если приложить металлические контакты к верху и к низу фотоэлемента, можно направить полученный ток по проводам и использовать его для работы различных устройств.

Рассмотрим процесс высвобождения электронов на примере кремния. Атом кремния имеет 14 электронов в трех оболочках. Первые две оболочки полностью заполнены двумя и восемью электронами соответственно. Третья же оболочка наполовину пуста – в ней всего 4 электрона.

Благодаря этому кремний имеет кристаллическую форму; пытаясь заполнить пустоты в третьей оболочке, атомы кремния пытаются «делиться» электронами с соседями. Однако кристалл кремния в чистом виде – плохой проводник, поскольку практически все его электроны крепко сидят в кристаллической решетке.

Поэтому в солнечных батареях используют не чистый кремний, а кристаллы с небольшими примесями, т. е. в кремний вводятся атомы других веществ. На миллион атомов кремния приходится всего один атом, например, атом фосфора.

У фосфора пять электронов во внешней оболочке. Четыре из них образуют кристаллические связи с близлежащими атомами кремния, однако пятый электрон фактически остается без всяких связей с соседними атомами.

Когда на кремний попадают солнечные лучи, его электроны получают дополнительную энергию, которой оказывается достаточно, чтобы оторвать их от соответствующих атомов. В результате на их месте остаются положительно заряженные «дырки». Освободившиеся же электроны блуждают по кристаллической решетке как носители электрического тока. Встретив очередную «дырку», они заполняют ее.

Для высвобождения несвязанных электронов в атомах фосфора требуется приложить значительно меньшее количество энергии. Большая часть таких электронов становится свободными носителями, которые можно эффективно направлять и использовать для получения электричества. Процесс добавления примесей для улучшения химических и физических свойств вещества называется легированием.

Кремний, легированный атомами фосфора, становится электронным полупроводником n-типа (от слова «negative», из-за отрицательного заряда электронов).

Кремний также легируют бором, у которого всего три электрона во внешней оболочке. В результате получается полупроводник p-типа (от «positive»), в котором возникают свободные положительно заряженные «дырки».

Что же произойдет, если соединить полупроводник n-типа с полупроводником p-типа? В первом из них образовалось множество свободных электронов, а во втором – много дырок. Электроны стремятся как можно быстрее заполнить дырки, но если это произойдет, оба полупроводника станут электрически нейтральными.

Вместо этого при проникновении свободных электронов в полупроводник p-типа, область на стыке обоих веществ заряжается, образуя барьер, перейти который не так просто. На границе p-n перехода возникает электрическое поле.

Энергии каждого фотона солнечного света хватает обычно на высвобождение одного электрона, а значит и на образование одной лишней дырки. Равновесие нарушается еще больше, и если приложить к системе внешнее электрическое поле, свободные электроны потекут на p-сторону, чтобы заполнить дырки, создавая электрический ток.

К сожалению, кремний довольно хорошо отражает свет, а значит, значительная часть фотонов не участвует в образовании электричества. Чтобы уменьшить потери, фотоэлементы покрывают антибликовым покрытием. Наконец, чтобы защитить солнечную батарею от дождя и ветра, ее также принято покрывать стеклом.

Виды солнечных модулей-панелей

Массовое применение нашли фотоэлектрические элементы двух видов. Они отличаются используемыми для их изготовления разновидностями полупроводника из кремния, это:

• Поликристаллические. Это солнечные элементы, изготовленные из кремниевого расплава путем длительного охлаждения. Несложный метод производства обуславливает доступность цены, но производительность поликристаллического варианта не превышает 12%.

• Монокристаллические. Это элементы, полученные в результате нарезки на тонкие пластины искусственно выращенного кремниевого кристалла. Самый продуктивный и дорогой вариант. Средний КПД в районе 17 %, но можно найти монокристаллические фотоэлементы с более высокой производительностью.

Поликристаллические солнечные элементы имеют плоскую квадратную форму с неоднородной поверхностью. Монокристаллические разновидности выглядят как тонкие однородной поверхностной структуры квадраты со срезанными углами (псевдоквадраты).

Панели собранные из поликристаллических элементов при одинаковой мощности больше размером, чем панели из монокристаллических элементов из-за меньшей эффективности (18% против 22%). Но поликристаллические панели дешевле монокристаллических, в среднем, на десять процентов и пользуются преимущественным спросом.

Схема работы солнечного электроснабжения

Когда читаешь странные названия узлов, входящих в состав системы электрического питания от солнечного света, думаешь об огромной сложности устройства. Пройдем по всей схеме подключения солнечной батареи.

Основными конструктивными элементами системы выступают:

• Солнечный модуль – преобразует солнечный свет в электрическую энергию.

• Контроллер заряда – следит за напряжением аккумуляторов.

• Аккумулятор – химический источник тока, который накапливает электроэнергию.

• Инвертор, преобразующий постоянное электрическое напряжение аккумуляторной батареи в переменное 220В, которое необходимо для функционирования системы освещения и работы бытовой техники.

• Предохранители, устанавливаемые между всеми элементами системы и защищающие систему от короткого замыкания.

Солнечные модули — первая составляющая солнечной электростанции. Это тонкие прямоугольные панели, собранные из определенного числа стандартных пластин-фотоэлементов. Производители делают фотопанели различными по электрической мощности и напряжению, кратному 12 вольтам.

Устройства плоской формы удобно располагаются на открытых для прямых лучей поверхностях. Модульные блоки объединяются при помощи взаимных подключений в гелиобатарею. Задача батареи преобразовывать получаемую энергию солнца, выдавая постоянный ток заданной величины.

Контроллер – электронный посредник между солнечным модулем и аккумуляторами. Его роль регулировать уровень заряда аккумуляторных батарей. Прибор не допускает их закипания от перезарядки или падения электрического потенциала ниже определенной нормы, необходимой для устойчивой работы всей гелиосистемы. Если показатель на клеммах аккумулятора в дневное время достигает отметки в 14 Вольт, что указывает на их перезарядку, контроллер прерывает зарядку. В ночной период, когда показатель напряжения аккумуляторов достигает предельно низкой отметки в 11 Вольт, контроллер останавливает работу электростанции.

Устройства накопления электрического заряда — аккумуляторы для солнечных батарей известны всем. Роль их внутри системы энергоснабжения от солнца традиционна. Когда домашние потребители подключены к централизованной сети, энергонакопители запасаются электричеством.

Они также аккумулируют излишки электроэнергии, если для обеспечения расходуемой электроприборами мощности достаточно тока солнечного модуля.

Аккумуляторный блок отдает цепи требуемое количество энергии и поддерживает стабильное напряжение, как только потребление в ней возрастает до повышенного значения. То же происходит, например, ночью при неработающих фотопанелях или во время малосолнечной погоды.

Инвертор солнечной батареи выполняет функцию, когда-то казавшуюся электротехникам фантастикой. Он преобразует постоянный ток солнечного модуля и аккумуляторов в переменный с разностью потенциалов 220 вольт. Именно такое напряжение является рабочим для подавляющей массы бытовых электроустройств.

Пиковая нагрузка и среднесуточное энергопотребление

Удовольствие иметь собственную гелиостанцию стоит пока немало денег. Поэтому первое, что нужно сделать на пути к использованию энергии солнца – определение оптимальной пиковой нагрузки в киловаттах и рационального среднесуточного энергопотребления в киловатт-часах домашнего или дачного хозяйства.

Пиковая нагрузка создается необходимостью включения сразу нескольких электрических приборов и определяется их максимальной суммарной мощностью с учетом завышенных пусковых характеристик некоторых из них.

Подсчет максимума потребляемой мощности позволяет выявить, жизненно нужна одновременная работа каких электроприборов, а которых не очень. Такому показателю подчиняются мощностные характеристики электростанции, а это напрямую влияет на итоговую стоимость устройства.

Суточное энергопотребление электроприбора измеряется произведением его индивидуальной мощности на время, в течении которого он потреблял электроэнергию в течение суток. Общее среднесуточное энергопотребление рассчитывается как сумма израсходованной энергии электричества каждым потребителем за суточный период.

Результат потребления энергии помогает рационально подойти к расходу солнечного электричества. Итог вычислений важен для дальнейшего расчета емкости аккумуляторов. От этого параметра зависит цена аккумуляторного блока, немало стоящего компонента системы.

Я попробовала рассчитать пиковую нагрузку и суточное потребление электроэнергии для моего дома в будни и на выходных. Для этого на листочке своей тетради я записывала показания электрического счетчика каждый час в течении недели, когда была на каникулах.

Расход электроэнергии за неделю составил 56 кВт/час, что составило в среднем 8 кВт/час в сутки. Определив среднесуточный расход электричества, я начала вычислять пиковую нагрузку в течении дня. Наибольшая пиковая нагрузка наблюдалась в выходные, когда вся семья целый день находилась дома. В такие дни было много одновременно включенных бытовых приборов. Поэтому для анализа пиковой нагрузки я выбрала средние значения, полученные в выходной день. Потребление электричества в такие дни начинало расти с 10.00, достигая максимума с 12.00 до 15.00. Затем потребление электроэнергии снижалось до 22.00 и всю ночь не менялось, так как в это время работал только холодильник.

Данные я занесла в таблицу, на основании которой построила диаграмму

Из диаграммы видно, что пиковая нагрузка достигала 1200 Вт в 14.00. А средняя мощность составила 333 Вт.

Из таблицы использования солнечной электростанции, можно увидеть, что у меня дома «Комфортный» режим использования электричества. Однако для постоянного использования солнечной энергии необходимо исключить пиковую нагрузку, путем выравнивания максимальных нагрузок, устранить резкие провалы энергопотребления во времени.

Такой подход позволит подобрать наиболее экономичные варианты узлов солнечной системы и обеспечит стабильную, а главное, безаварийную долговременную работу гелиостанции.

Подбор узлов гелиоэлектростанции

Для упрощения расчетов я буду рассматривать применения солнечной батареи как основного источника электрической энергии для дома. Расчеты я буду делать для моего дом, находящегося в Ставропольском крае, где я проживаю с родителями и братом.

По моим измерениям получились следующие данные:

• Общее среднесуточное энергопотребление = 8 000 Вт/час.

• Средняя нагрузка потребления = 333 Вт.

• Максимальная нагрузка 1200 Вт.

• Пиковая нагрузка с запасом 25% составит 1200 х 1,25 = 1500 Вт

1. Определение рабочего напряжения гелиосистемы

Внутреннее рабочее напряжения всякой гелиосистемы основывается на кратности 12 вольтам, как самого распространенного номинала аккумуляторных батарей. Наиболее широко используемые узлы гелиостанций: солнечные модули, контроллеры, инверторы – выпускаются под популярные напряжения 12, 24, 48 вольт.

Более высокое напряжение позволяет использовать питающие провода меньшего сечения – а это повышенная надежность контактов. С другой стороны, вышедшие из строя аккумуляторы сети 12В, можно будет заменять по одному.

В 24-вольтовой сети, учитывая особенности эксплуатации аккумуляторных батарей, придется производить замену батарей только парами.

Главный выбор номинала внутренней разности потенциалов системы связан с мощностными характеристиками выпускаемых современной промышленностью инверторов и должен учитывать величину пиковой нагрузки:

• от 3 до 6 кВт – 48 вольт,

• от 1,5 до 3 кВт – равен 24 или 48 вольт,

• до 1,5 кВт – 12, 24, 48 вольт.

Поскольку максимальная нагрузка в выходные не превышала 1,5 кВт, я решила выбрать для солнечной батареи рабочее напряжение 12 В.

2. Выбор батареи солнечными модулями

Формула расчета требуемой от солнечной батареи мощности выглядит так:

Рсм = ( 1000 * Есут ) / ( к * Син ) где:

Рсм = мощность солнечной батареи = суммарная мощность солнечных модулей ( Вт),

1000 = принятая светочувствительность фотоэлектрических преобразователей (кВт/м²)

Есут = суточное энергопотреблении (кВт*ч, в нашем примере = 8),

к = сезонный коэффициент, учитывающий все потери (лето = 0,7; зима = 0,5),

Син = табличное значение инсоляции (потока солнечной радиации) при оптимальном наклоне панелей (кВт*ч/м²).

По данным региональной метеорологической службы в Ставропольском крае одна из самых высоких среднегодовых инсоляций  4,22 – 4,5 киловатт-часа на квадратный метр в день.

Для моего дома получаем мощность

Рсм = 1000 * 8 / ( 0,7 * 4,45 ) ≈ 2 500 ватт.

Если брать за основу солнечной батареи 100-ваттные модули, то их потребуется 25 штук. Они будут весить 200кг и займут площадь размером 3 х 3 метра. При цене за модуль 4000 рублей, стоимость 25-ти модулей составит 100 000 рублей

При установке солнечных батарей следует учитывать, что максимальная инсоляция при ориентировке на юго-запад (азимут от 200⁰ до 290⁰).

Оптимальный угол наклона солнечных панелей осенью и весной равен значению широты местности. Мой дом находится на широте 45⁰. Значит именно такой угол наклона и должен быть у солнечных панелей. Зимой рекомендуют устанавливать наклон на 15⁰ больше, а летом на 15⁰ меньше.

3. Обустройство аккумуляторного энергоблока

Подбирая аккумуляторные батареи, нужно руководствоваться постулатами:

1. НЕ подходят для этой цели обычные автомобильные аккумуляторы. Батареи солнечных электростанций маркируются надписью «SOLAR».

2. Приобретать аккумуляторы следует только одинаковые по всем параметрам, желательно, из одной заводской партии.

3. Помещение, где размещается аккумуляторный блок, должно быть теплым. Оптимальная температура, когда батареи выдают полную мощность = 25⁰C. При ее снижении до -5⁰C емкость аккумуляторов уменьшается на 50%.

Если взять для расчета показательный аккумулятор напряжением 12 вольт емкостью 100 ампер/час, несложно подсчитать, целый час он сможет обеспечить энергией потребителей суммарной мощностью 1200 ватт. Но это при полной разрядке, что крайне нежелательно.

Для длительной работы аккумуляторных батарей НЕ рекомендуется снижать их заряд ниже 70%. Предельная цифра = 50%. Принимая за «золотую середину» число 60%, кладем в основу последующих вычислений энергозапас 720 Вт/ч на каждые 100 А*ч емкостной составляющей аккумулятора (1200 Вт/ч х 60%).

Первоначально устанавливать аккумуляторы необходимо 100% заряженными от стационарного источника тока. Аккумуляторные батареи должны полностью перекрывать нагрузки темного времени суток. Если не повезет с погодой, поддерживать необходимые параметры системы и днем.

Важно учесть, что переизбыток аккумуляторов приведет к их постоянному недозаряду. Это значительно уменьшит срок службы. Наиболее рациональным решением видится укомплектование блока батареями с энергозапасом, достаточным для покрытия одного суточного энергопотребления.

Чтобы узнать требующуюся суммарную емкость батарей, разделим общее суточное энергопотребление 8000 Вт/ч на 720 Вт/ч и умножим на 100 А*ч:

8000 / 720 * 100 ≈ 1100 А*ч

Итого для нашего примера потребуется 11 аккумуляторов емкостью 100 или 6 по 200 А*ч, подключенных параллельно.

При стоимости за один аккумулятор 10 000 рублей, стоимость аккумуляторного энергоблока составит 110 000 рублей

4. Выбор хорошего контроллера

Грамотный подбор контроллера заряда аккумуляторных батарей (АКБ) – задача весьма специфичная. Его входные параметры должны соответствовать выбранным солнечным модулям, а выходное напряжение – внутренней разности потенциалов гелиосистемы (в нашем примере – 12 вольт).

Хорошему контроллеру обязательно надлежит обеспечивать:

1. Многоступенчатый заряд АКБ, кратно расширяющий их срок эффективной службы.

2. Автоматическое взаимное, АКБ и солнечной батареи, подключение-отключение в корреляции с зарядом-разрядом.

3. Переподключение нагрузки с АКБ на солнечную батарею и наоборот.

Этот небольшой по размерам узел – очень важный компонент.

От правильного выбора контроллера зависит безаварийная работа дорогостоящего аккумуляторного блока и сбалансированность всей системы. Минимальная цена котроллера 15 000 рублей.

5. Подбор инвертора лучшего исполнения

Инвертор выбирается такой мощности, чтобы смог обеспечивать долговременную пиковую нагрузку. Его входное напряжение обязано соответствовать внутренней разности потенциалов гелиосистемы.

Для лучшего варианта подбора рекомендуется внимание обращать на параметры:

1. Форма и частота выдаваемого переменного тока. Чем больше близки к синусоиде в 50 герц – тем лучше.

2. КПД устройства. Чем выше 90% — тем замечательней.

3. Собственное потребление прибора. Должно соизмеряться с общим энергопотреблением системы. Идеально – до 1%.

4. Способность узла выдерживать кратковременные двухкратные перегрузки.

Лучшее исполнение – инвертор со встроенной функцией контроллера. Стоимость инвертора составляет 15 000 рублей.

Итого полная стоимость оборудования гелиостанции для моего дома составит 100 000 + 110 000 + 15 000 + 15 000 =240 000 рублей

Цены на солнечную станцию в комплекте:

Сетевая солнечная станция 3 кВт (DEYE SUN-3K-G) 299 490 рублей

Солнечная станция «Дача» 3 кВт 140 000 рублей

Солнечная электростанция 3 кВт ECO GEL МОНО 2022 115 000 рублей

Заключение.

Изучая особенности работы солнечной станции, я узнала много нового и интересного. Солнечная энергетика это перспективный вид энергоснабжения, он имеет ряд достоинств. Это возобновляемый источник энергии, который не загрязняет окружающую природу, количество выпускаемых солнечных панелей постоянно растет, что снижает их стоимость. У панелей большой срок работоспособности, порядка 30 лет. Современные панели могут вырабатывать электрический ток даже при плохой освещенности (в сумерках и в облачный день).

Так же имеется ряд недостатков. Использовать солнечные панели желательно в районах с большим количеством солнечных дней. Зимой панели нужно очищать от снега, а летом от пыли, чтобы не снижалась эффективность солнечных панелей. Установка панелей на крыши зданий – очень трудоемкий процесс, который требует монтажа специальных опорных конструкций на крыше. Между панелями и крышей набивается мусор, гниение которого повреждает и крышу и панели. Установка панелей на специальные конструкции на земле, требует открытого места и большой территории. Цена оборудования по прежнему высокая и не каждый может себе позволить купить солнечную электростанцию. Окупаемость станции 10-15 лет. Для хранения энергии необходимо большое количество аккумуляторов, которые содержат большое количество вредных веществ. Менять аккумуляторы необходимо каждые 10 лет. До сих пор не продуман вопрос утилизации отработанных панелей. У панелей низкий КПД (до 20%).

Оценив все ЗА и ПРОТИВ, я поняла, что пока не готова советовать своим родителям использовать солнечную станцию для своего дома. Но прогресс не стоит на месте, развиваются новые технологии, и я верю, что солнечная энергетика в ближайшем будущем займет достойное место в обеспечении человечества большим количеством дешевой электроэнергии.

Список использованных источников

1. Харченко Н.В. «Индивидуальные солнечные установки» Изд. Энергоатомиздат, Москва, 1991 г. — 208 с.

2. А.Я. Глиберман, А.К. Зайцева «Кремневые солнечные батареи» Государственное энергетическое издательство, Москва-Ленинград, 1961 г.

3. https://heat-solar.ru/