ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНЫХ ПАНЕЛЕЙ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭНЕРГИЕЙ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНЫХ ПАНЕЛЕЙ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭНЕРГИЕЙ
АВТОНОМНОГО ПОСЕЛКА.
Сапожникова М.А.
Муниципальное автономное образовательное учреждение Сормовского района г. Нижнего
Новгорода Лицей №82.
Россия, Нижний Новгород, ул. Культуры, 1.
e-mail: kira.ozertsova@yandex.ru
Кобезский В.А. Суворов Д. В.
Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет,
Россия, г.Нижний Новгород, ул.Ильинская, 65.
USAGE OF SOLAR PANELS FOR ENERY SUPPLY OF AUTONOMOUS VILLAGE.
Sapozhnikova M.A.
Municipal autonomous institution of the Sormovo district of Nizhny Novgorod Lyceum №82.
Federation, Nizhny Novgorod, Culture st. 1.
Kobezsky V.A., Suvorov D.V.
Nizhny Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering (NNGASU), Russin Federation, с. Nizhny Novgorod, Ilynskaya st. 65.
Для обитателей Земли Солнце является неисчерпаемым и бесплатным источником
энергии. Испокон веков люди использовали энергию Солнца для удовлетворения своих потребностей: выращивания урожая, сушки белья, нагрева воды или просто согревания посредством поглощения солнечной радиации в виде прямых и рассеянных лучей. Невозможно
представить жизнь современного дачника без теплицы или летнего душа, являющегося одним из способов использования солнечной энергии, правда, достаточно кратковременного: к
утру температура в теплице падает, и бак с водой охлаждается. С развитием науки солнечная
энергия стала востребованным источником возобновляемой энергии.
В Европе и других развитых странах, где климатические условия позволяют использовать энергию солнца, разработаны солнечные батареи - полупроводниковый фотоэлектрический генератор, непосредственно преобразующий энергию солнечной радиации в электрическую. Энергия может использоваться непосредственно напрямую или запасаться в аккумуляторных батареях для использования в будущем при необходимости. В Германии часто
встречаются энергоэффективные дома, получающие тепло и электричество за счет инсоляции солнечных коллекторов. В России данная технология ещё не нашла распространения и
поэтому большое количество крыш и других открытых солнцу поверхностей не используются для получения энергии. И хотя противники гелиоэнергетики как направления альтерна-
тивной энергии утверждают, что в России достаточное количество традиционных ресурсов, а
установка иных из-за условий климата не рентабельна, развитие этой отрасли в нашей стране
уже идет. В городах Крыма и в Сочи можно встретить дома, на крыше которых находятся
солнечные панели, снабжающие энергией хозяев дома. В Казани создан автономный экспериментальный дом, показавший практическое применение перспективной технологии. Он не
требует подключения к внешним коммуникациям - теплоцентрали и электросети, при этом
там есть горячая вода, освещение и все современные бытовые электроприборы.
Ключевые слова: Солнце, энергоэффективность, солнечная радиация, альтернативные
источники энергии, солнечные коллекторы.
Проблемы и поиск способа их решения
В наше время тема энергосбережения и развития альтернативных источников энергии
как нельзя актуальна. Традиционные источники стремительно иссякают и уже через какихнибудь пятьдесят лет могут быть исчерпаны, уже сейчас энергетические ресурсы довольно
дороги.[1] Анализ сложившейся ситуации заставляет искать новые способы получения энергии, и одним из наиболее перспективных направлений является получение солнечной энергии. Производство солнечных батарей сегодня как никогда актуально, они выступают в качестве источников энергии в широком спектре областей, в том числе в телекоммуникационной,
космической отраслях, медицине, связи, микроэлектронике и прочих сферах жизни. Исследования в этой области не прекращаются, так как получение энергии из неисчерпаемого источника очень заманчиво. Начиная в 19 веке, c КПД солнечных батарей 1%, с развитием технологий оно дошло до 19%, а значит мечта Чарльза Фриттса, использовавшего покрытый золотом селен для производства первого солнечного элемента, осуществима.[2] Но наука
должна сделать еще много открытий для создания солнечных батарей, способных заменять
существующие электростанции.
Цель научной работы - рассмотрение эффективности использования солнечных батарей в Нижегородской области. Определение их способности стать основным источником
энергии в данном районе, либо частично заменить традиционные источники энергии, а также
оценка рентабельности внедрения технологий гелиоэнергетики.
Задачи исследования:
1.Рассмотрение видов солнечных батарей, определение их преимуществ и недостатков;
2. Рассчёт средней цены на рынке солнечных батарей;
3. Определение суммарного количества солнечной радиации, поступающей на энерговоспринимающие плоскости;
4. По результатам исследования определить способность солнечных батарей обеспечить
энергией небольшой поселок в 60 домов в Нижегородской области; Оценить экономическую
составляющую данного мероприятия.
Анализ сферы на сегодня
В настоящее время производимые солнечные батареи не могут полностью удовлетворить потребности в энергии, но они стали основным источником энергии для обеспечения
искусственных спутников Земли. Пока количество установленных крупномасштабных энергетических фотоэлектрических систем невелико. Большинство усилий направлено на обеспечение с их помощью электроэнергией отдаленных и труднодоступных мест. Мощность
ежегодно устанавливаемых солнечных электростанций составляет около 50 мегаватт. Но
солнечные батареи обеспечивают лишь около 1 процента всей производимой в настоящее
время электроэнергии.
Преимущества и недостатки солнечных батарей
Одно из главных достоинств солнечных батарей - их экологическая чистота. Так же
они долговечны, средняя продолжительность их службы 40-50 лет, все это время они не требуют особого ухода, кроме периодического вытирания пыли. Сейчас, на этом этапе производства главными недостатками солнечных батарей является: зависимость от погоды и времени суток, дороговизна конструкции, хотя сейчас их производство растет, что приводит к
снижению цен. [3]
Исследовательская часть
Принцип работы
Принцип работы солнечных батарей отличается сравнительной простотой. Сердцем
фотоэлемента является кремниевый кристалл. В лаборатории кристаллам придают форму
куба и режут на платины толщиной в двести микрон (примерно три-четыре толщины человеческого волоса).
На кремниевую пластинку с одной стороны наносят тончайший слой фосфора, с другой стороны – тончайший слой бора. Там, где кремний контактирует с бором, возникает избыток свободных электронов, а там, где кремний контактирует с фосфором, наоборот электроны в недостатке, возникают так называемые «дырки». Стык сред, обладающих избытком
и недостатком электронов, называется в физике p-n переход. Фотоны света бомбардируют
поверхность пластины и вышибают избыточные электроны фосфора к недостающим электронам бора. Упорядоченное движение электронов – это и есть электрический ток. Осталось
только «собрать» его, проведя через пластину металлические дорожки. Так в принципе
устроен кремниевый фотоэлемент.
Мощность одной пластинки - фотоэлемента довольно скромная, ее хватит разве что
для работы лампочки карманного фонарика. Поэтому отдельные элементы собирают в системы-батареи. Теоретически можно собрать из элементов батарею любой мощности. Батарею укладывают на металлическую подложку, армируют для повышения прочности и
накрывают стеклом. Важно, что солнечная батарея преобразует в электричество не только
видимую, но и ультрафиолетовую часть солнечного спектра, поэтому стекло, покрывающее
батарею обязательно должно пропускать ультрафиолет. [4]
Виды солнечных панелей
Существуют различные виды солнечных панелей. На сегодняшний день самые
надежными и эффективными считаются монокристаллические. Для их изготовления используется кремний, который плавят, а затем кристаллизуют в слитки для дальнейшей работы.
КПД составляет 15-17%, производительность за каждые 20-25 лет службы постепенно снижается приблизительно на 20%, срок службы такой системы составляет 40-50 лет. Существуют так же поликристаллические, ленточные, аморфные виды солнечных панелей, главным образом, отличающиеся от монокристаллических способом обработки кремния и как
следствие снижение эффективности работы и цены. В своей работе я буду рассматривать
монокристаллические панели, так как в погодных условиях России главным критерием является эффективность работы. [3]
Компоненты для полноценной работы солнечной панели
Автономная система энергоснабжения, помимо солнечных батарей, включает в себя
ещё несколько компонентов. Инвертор - инверторный преобразователь постоянного тока в
переменный и наоборот. Контроллеры заряда солнечных батарей — устройства, отвечающие
за эффективное преобразование вырабатываемой электроэнергии. Без контроллеров невозможна работа солнечных панелей с аккумуляторами — их пришлось бы вручную отключать
от аккумуляторных батарей каждую ночь и в конце каждого заряда. Кроме того, контроллеры повышают эффективность функционирования солнечных панелей на 30-50 %. Аккумуляторные батареи (АКБ) запасают энергию, ведь солнечные панели работают только в светлое
время суток. Реле управления внешними устройствами. В автономной системе они используются для включения и выключения групп устройств, на которые подаётся электроэнергия.
Также реле применяются, например, для автоматического включения дизельного генератора
в случае сильного снижения уровня заряда АКБ. Кроме того, в систему могут входить дополнительные генераторы тока. Чаще всего—дизельный генератор, который играет роль
аварийного, когда погода не позволяет работать солнечным батареям достаточно мощно. Все
компоненты панели, как и она сама служат определенный период времени, контроллер и инвертер 15-20 лет, аккумулятор в зависимости от типа 4-10 лет.
Результаты исследования
На территорию Нижегородской области приходится приблизительно 108 солнечных
дней, а суммарное количество солнечной радиации составляет 3,6 ГДж/м2, причем минимум
приходится на зимние месяцы, когда человеку необходимо наибольшее количество энергии.
Современные солнечные панели не способны обеспечить полноценную работу автономного
поселка. Но я надеюсь, что в будущем наука сможет усовершенствовать их работу, чтобы
установка таких систем была возможна и на территории Нижегородской области.
Литература
1. «Жилые дома с автономным, солнечным теплохладоснабжением». Автор: С. Танака, Р.
Суда
2. «Альтернативная энергетика без тайн». Автор: Стэн Гибилиско / Stan Gibilisco
3. «Солнечная энергетика». Автор: Умаров Г. Я., Ершов А. А.
Интернет источники:
1. http://www.gazeta.ru/science/2013/02/11_a_4961045.shtml
2. http://energosberejenie.org/stati/istoriya-sozdaniya-solnechnykh-batarej
3. http://svetdv.ru/sun/index.shtml
4. http://energomir.net/alternativnaya-energetika/princip-raboty-solnechnoj-batarei.html