проект внедрения солнечных технологий в городе губкине

1
ПРОЕКТ ВНЕДРЕНИЯ СОЛНЕЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ГОРОДЕ
ГУБКИНЕ
Патрушев Егор
Россия, Белгородская область, г. Губкин, МОУ «Средняя
общеобразовательная школа №11»,
10 класс
Пояснительная записка
В наши дни проблема получения электроэнергии стоит чуть ли
не на первом месте.
И связано это с огромным потреблением электроэнергии
человеком, которое со временем продолжает неуклонно расти. Так по
прогнозам учёных к 2050 году энергопотребление в мире увеличится в 2
раза, а к 2100году – в 2,5 раза. При этом использование нефти и газа –
основных
энергоносителей
современности,
будет
сокращаться.
Альтернативная энергия должна использоваться во всех населённых
пунктах России, что позволит значительно экономить источники
традиционной энергии.
Важнейшую роль в обеспечении энергетического благополучия
будут играть возобновляемые источники энергии. Такие как: энергия
мирового океана, энергия космоса, энергия ветра, геотермальная энергия,
энергия солнца и др. Самой перспективной для Белгородской области и
Губкина является энергия солнца. Причин несколько: во-первых, любое
место на Земле получает солнечный свет, по крайней мере, часть года.
Энергия солнечных лучей может использоваться во многих точках земного
шара, в отличие от океанов, геотермальных источников. Более
благоприятные условия для использования солнечной энергии в течение
большей части года имеются южнее 50° параллели. Однако солнечные
батареи успешно эксплуатируются в местах много северней 50° параллели.
Во-вторых,
экологичность. Поскольку при использовании
фотоэлектрических систем не сжигается топливо и не имеется движущихся
частей, они являются бесшумными и чистыми.
В-третьих, высокая надежность, отсутствие механического износа.
Фотоэлементы разрабатывались для использования в космосе, где ремонт
слишком дорог, либо вообще невозможен. До сих пор фотоэлементы
являются источником питания практически для всех спутников на земной
орбите, потому что они работают без поломок и почти не требуют
технического обслуживания.
В-четвертых,
солнечные
батареи
относительно
дешевы.
Фотоэлементы работают на бесплатном топливе - солнечной энергии.
Благодаря отсутствию движущихся частей, они не требуют особого ухода.
В-пятых модульность. Фотоэлектрическую систему можно довести
до любого размера. Размер фотоэлектрической системы может увеличить
либо уменьшить ее, если изменится потребность в электроэнергии. Есть у
2
солнечных батарей и недостатки. Перечислю главные недостатки
солнечных батарей: зависимость мощности от местных условий, времени
суток и года, не
большой коэффициент полезного действия. Но
достоинств у них больше: отсутствие потребности в топливе, отсутствие
шума и эмиссии вредных веществ, отсутствие механического износа,
требуют минимального обслуживания, отсутствие промежуточных фаз
преобразования энергии. Те преимущества, которыми обладают солнечные
батареи, позволят постепенно перейти на использование альтернативных
источников энергии. Поэтому предполагается, что решением проблем
получения альтернативной электроэнергии в Белгородской области и
городе Губкин может стать использование солнечных батарей. Работая над
темой применения солнечной энергии, было проведено анкетирование
студентов БГТУ им. В.Г. Шухова, в ходе которого было выявлено
отношение молодого поколения к различным альтернативным источникам
энергии. Всего было опрошено 30 респондентов в возрасте от 19 до 22 лет.
Выявилось, что самыми перспективными нетрадиционными источниками
энергии, по мнению студентов, являются солнечная и ветреная энергии.
Наиболее перспективной для использования в Белгородской области 78%
студентов считают солнечную энергию.
Солнечная энергия
Известно, что уровень излучения Солнца остается примерно
постоянным на протяжении всего времени наблюдений. На уровне моря
эта величина примерно равна 1кВт/м2.
Тепловой поток солнечного излучения, достигающий поверхности
Земли огромен. Он в 5000 раз превышает потребление всех видов
топливно-энергетических ресурсов в мире. Солнце излучает огромное
количество энергии - приблизительно 1,1∙1020 кВт·ч в секунду.
Киловатт·час - это количество энергии, необходимое для работы лампочки
накаливания мощностью 100 ватт в течение 10 часов. Внешние слои
атмосферы Земли перехватывают приблизительно одну миллионную часть
энергии, излучаемой Солнцем, или приблизительно 1500 квадрильонов
(1,5 ∙1018) кВт·ч ежегодно. Однако из-за отражения, рассеивания и
поглощения ее атмосферными газами и аэрозолями только 47% всей
энергии, или приблизительно 700 квадрильонов (7 ∙ 1017) кВт·ч, достигает
поверхности Земли. По сравнению с Солнцем все остальные источники
энергии, как внешние (излучение Луны, звезд, космические лучи), так и
внутренние (внутренние тепло Земли, радиоактивное излучение, запасы
каменного угля, нефти, газа и т.д.) пренебрежительно малы. Очень важно
для человечества научиться эффективно использовать этот источник
энергии.
Поэтому предлагается проект использования альтернативных
источников энергии в городе Губкин. Основное направление проекта солнечные технологии и их продвижение в городе Губкин. Ниже
3
приводится план проекта внедрения солнечных технологий в городе
Губкин.
1.
Установка экспериментальной фотоэлектрической системы.
2.
Солнечная энергетика на крышах. Установка солнечных
батарей на крышах зданий.
3.
Создание солнечных электростанций.
Исследуя перспективы солнечных батарей в Губкине и
Белгородской области, в работе было обращено внимание на следующие
факторы:
- географическое расположение (широта),
- ландшафт ( рельеф, климат, растительность),
- антропогенные факторы.
Географическое расположение и климат Губкина.
Белгородская область расположена на юго-западе Среднерусской
возвышенности (высота до 276 м). Протяженность с севера на юг 150 км, с
запада на восток 280 км. На севере граничит с Курской областью, на
востоке — с Воронежской областью, на западе и на юге проходит
государственная граница с Украиной. Главные реки относятся к бассейну
Дона (Северский Донец, Оскол, Тихая Сосна) и Днепра (Ворскла).
Поверхность — пологоволнистая эрозионная равнина. Губкин расположен
в северной части
Белгородской области (площадь – 27,1 тыс. км2 ,
численность населения 1513,1 тыс. человек.), немного северней 51о
параллели,
где
благоприятные
условия
для
круглогодичного
использования солнечных батарей. Климат умеренно континентальный,
среднегодовая температура 5,3°С, средняя температура июля 18,7°С,
средняя температура января –9°С, среднегодовое количество осадков 570
мм. Полезные ископаемые: железные руды (Курская магнитная аномалия).
Губкин расположен в южной части Среднерусской возвышенности, на р.
Осколец (приток р. Оскол), в 138 км к северо-востоку от Белгорода.
Население 87,0 тыс. человек (2007г).
Влияние географического положения.
Наклон оси земли в 23.5о оказывает значительное влияние на
количество солнечного света, достигающего конкретное место на Земле.
Этот наклон оси означает более продолжительные дни в северном
полушарии с весны до осени, и в южном полушарии – оставшиеся шесть
месяцев. Количество солнечной энергии зависит и от географического
месторасположения участка: чем ближе к экватору, тем оно больше.
Расположение города на широте 51о параллели создает возможность
поступления солнечной радиации на территорию Губкина в пределах 1000
– 1300 кВтч/м2 в год (прил. 2, рис.4). Причем количество солнечной
радиации в день на территории города будет распределено приблизительно
так, как указано в таблице 1.
Таблица 1
Месяц
кВт∙ч/м2
4
Январь
1,6
Февраль
3,1
Март
3,5
Апрель
4,6
Май
5,2
Июнь
5,8
Июль
6,0
Август
5,3
Сентябрь
4,3
Октябрь
3,1
Ноябрь
2,1
Декабрь
1,6
Из таблицы 1 видно, что в осенние и зимние месяца, вследствие
малой высоты солнца и ослабления солнечного излучения атмосферой,
эффективность использования солнечной батареи падает в 2-3 раза по
сравнению с летними и весенними месяцами.
Влияние ландшафта.
Пологоволнистая эрозионная поверхность Белгородской области
и города дает возможность эффективной эксплуатации солнечных батарей.
Данный рельеф позволяет беспрепятственно проходить облакам и тучам
над территорией Белгородской области. В отличие, например от гористой
местности, где горы собирают проходящие тучи и таким образом
уменьшают количество поступающего на фотоэлектрический модуль
солнечного излучения. Ветры, дующие в сторону гор, вынуждают часть
воздуха подниматься и, охлаждая влагу, находящуюся в воздухе,
формируют облака. Формируют облака так же крупные водохранилища,
озера. Вблизи города нет крупных озер и водохранилищ, но в восточной
части города есть два небольших водоема. Водоемы слишком малы, что бы
формировать облака, которые могут снизить эффективность солнечных
батарей. Однако в очень жаркие дни пары воды, поднимающиеся от
водоемов, могут рассеять или отразить часть солнечного света. Но этот
факт коренным образом повлиять на работу солнечных батарей не может.
Такой климатический факторы, как среднегодовое количество осадков
способен оказывать влияние на производительность солнечных батарей.
Большое среднегодовое количество осадков снижает эффективность
солнечных батарей. Среднегодовое количество осадков по Белгородской
области 570 мм, эта цифра говорит о том, что данный климатический
фактор не является барьером в использовании солнечных батарей. Помимо
перечисленных выше факторов на работу солнечных батарей влияет так же
лес. Белгородская область расположена в зоне лесостепи, на юге — степи.
Леса (в основном, дубравы) занимают около 10% площади. Кроме
образования тени, деревья, кусты и газоны, могут понизить температуру
воздуха в округе на целых 5оС, так как, испаряя влагу, растения охлаждают
окружающий воздух. Температурный фактор, не так значителен, как
5
испарение влаги, которая может снизить производительность солнечных
батарей.
Влияние антропогенного фактора.
Во время движения солнечного света через атмосферу часть его
может рассеяться и отразиться мельчайшими частицами, находящимися в
воздухе, например пылью, дымом от пожаров и прочее. В
непосредственной близости от города расположен открытый карьер ОАО
«ЛГОК». Еженедельно в карьере проводятся взрывные работы, в ходе
которых в воздух поднимается пыль. Мельчайшие частицы этой пыли
могут рассевать солнечный свет и, следовательно, понижать
эффективность солнечных батарей. Лучше расположить солнечную
батарею как можно дальше от карьера. На рисунке 5 выделена зона, где не
рекомендуется располагать экспериментальную фотоэлектрическую
систему.
В процессе анализа географического положения и ландшафта
города Губкин
не было выявлено барьеров, которые могли бы
препятствовать эффективной эксплуатации фотоэлектрических систем
Проведённое
исследование
показало
возможность
и
целесообразность использования солнечных батарей для выработки
электрической энергии для маломощных потребителей в городе Губкин.
Поэтому дальнейшее исследование этой проблемы имеет большое
практическое значение как для города Губкин, так и для России в целом.
6
ПРОЕКТ ВНЕДРЕНИЯ СОЛНЕЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ГОРОДЕ
ГУБКИНЕ
Патрушев Егор
Россия, Белгородская область, г. Губкин, МОУ «Средняя
общеобразовательная школа №11», 10 класс
В будущем нельзя будет преодолеть энергокризис без
использования альтернативных источников энергии. Даже для России, у
которой есть огромные природные ресурсы, проблема развития
альтернативных
источников
энергии
актуальна
уже
сегодня.
Альтернативная энергия должна использоваться во всех населенных
пунктах России, что позволит значительно экономить источники
традиционной энергии. В Губкине и
Белгородской области
перспективным источником энергии является солнечная энергия. Поэтому
предлагается проект развития солнечной энергетики. Основное
направление проекта - солнечные технологии и их продвижение в Губкине.
Развитие солнечной энергетики в Губкине – это вклад в общее развитие
солнечной энергетики страны. Ниже приводится план проекта внедрения
солнечных технологий в городе Губкин.
1.Установка экспериментальной фотоэлектрической системы.
2.Солнечная энергетика на крышах. Установка солнечных
батарей на крышах зданий.
3.Создание солнечных электростанций.
В Губкине солнечные батареи не применялись ни разу, поэтому
первый этап проекта предусматривает установку экспериментальной
фотоэлектрической системы. Экспериментальная установка должна быть
автономна (без подключения к сети). В состав фотоэлектрической системы
входят:
- солнечные коллекторы, которые комплектуются из солнечных
модулей;
- блок управления зарядом;
- аккумуляторные батареи;
- стабилизатор для аккумуляторных батарей (устройство, контролирующее
уровень жидкости в батареях);
- прибор, фиксирующий напряжение, силу тока, мощность и другие
параметры фотоэлектрической системы.
Целью установки фотоэлектрической системы является точное
измерение и характеристика потенциальных гелиоресурсов Губкина. Это
очень важный момент, так как данные полученные во время этого
эксперимента в дальнейшем могут способствовать рациональному и
оптимальному использованию гелиоэнергетических ресурсов. Знание
гелиоресурсов
Губкина
позволит
определить
параметры
фотоэлектрических систем, например, объем аккумулятора. Эксперимент
рассчитан на работу солнечной установки в течение года. Годичная
эксплуатация экспериментальной установки позволит точно определить
7
количество солнечного излучения в разные месяцы, а так же годичную
сумму солнечной радиации. В связи с микроклиматом города
фотоэлектрическую систему лучше разместить в западной части города.
Такое расположение поможет избежать прогнозируемого понижения
производительности солнечной батареи. В непосредственной близости от
города расположен открытый
карьер ОАО «Лебединский Горный
Обогатительный Комбинат» (рис. 1).
Еженедельно в карьере проводятся взрывные работы, в ходе
которых в воздух поднимается пыль. Мельчайшие частицы этой пыли
могут рассевать солнечный свет и, следовательно, понижать
эффективность солнечных батарей. Лучше расположить солнечную
батарею как можно дальше от карьера.Так же лучше расположить
солнечные батареи как можно дальше от водоемов (испарение влаги),
которые тоже расположены в восточной части города. Установка должна
быть ориентирована строго на юг, так как для хорошей работы системы
нужны прямые солнечные лучи. Любые солнечные коллекторы следует
устанавливать так, чтобы в 12 ч дня солнечные лучи падали на них
отвесно. Оптимальный угол наклона коллектора к земле зависит от
географической широты места их установки. Экспериментально
установлено, что угол уклона равен величине географической параллели
местности, где размещен коллектор, плюс 10-15°. Для Губкина,
расположенного приблизительно на 51° параллели это: 51°+10-15°=61-66°.
Во время зимней эксплуатации солнечных батарей, могут возникнуть
проблемы. Поверхность батареи может занести снегом или батарея может
покрыться наледью. Эти два фактора могут не только понизить
производительность батареи, но и свести ее к нулю. Поэтому для
эксплуатации в зимнее время, солнечная батарея должна быть оснащена
автоматической щеткой, которая позволит счищать с поверхности батареи
наваливший снег. А так же системой подогрева, позволяющей
растапливать наледь с поверхности модуля. Систему подогрева можно
выполнить в виде плоской ленты, заполненной металлическим порошком,
и протянутой по поверхности стекла, прозрачного для солнечных лучей.
Стеклом с протянутой в ней лентой, накрывается поверхность
фотоэлектрического модуля. Лента с металлическим порошком, при
пропускании через нее электрического тока, нагревается и растапливает
наледь с поверхности батареи. Электрический ток генерируется самой
батареей. Система подогрева и система очистки должны решить проблему
эксплуатации солнечных батарей в зимнее время. Низкая температура в
зимнее время не должна отрицательно сказаться на работе
фотоэлектрической системы. На производительность модулей основное
влияние оказывают продолжительность и интенсивность солнечного света,
а температура воздуха имеет второстепенное значение. Но хотелось бы
отметить, что с повышением температуры падает напряжение.
8
После годичной эксплуатации экспериментальной установки
можно будет дать оценку перспективам солнечных батарей в городе
Губкин. Эксперимент можно считать успешным, если производительность
батарей достигнет 150-200 кВт∙ч/м2 в год. При показателях 150 - 200
кВтч/м2 в год можно смело говорить об эффективности использования
солнечных батарей в условиях климата Белгородской области.
После экспериментальной эксплуатации батарей можно будет
дать более объективную оценку перспективе использования солнечных
батарей в городе Губкине. При положительных результатах эксперимента
можно будет реализовать второй этап проекта. Второй этап проекта
предусматривает установку солнечных батарей на крышах зданий.
Конечно, это еще не значит массовое использование солнечных батарей в
городе Губкин. Нет, по сути, второй этап проекта это тоже эксперимент.
Но уже более масштабный и основательный. Главное отличие первого
эксперимента от второго заключается в следующем: в первом случае
применяется автономная фотоэлектрическая система, а во втором –
система, соединенная с сетью. Автономные системы отличаются более
низкой эффективностью, так как работают они при почти постоянной
нагрузке круглый год, а размер их фотоэлектрических модулей
рассчитывается так, чтобы они давали достаточно энергии зимой, хоть это
и означает ее перепроизводство летом. Количество годовой выработки
электроэнергии будет еще зависеть от потерь вызванных аккумулятором.
Фотоэлектрические системы, подключенные к электросети, отличает
наилучший коэффициент производительности, так как весь объем
произведенной энергии либо полностью используется на месте, либо
поступает в сеть. Определение коэффициента производительности
является важным моментом в эксперименте. Это позволит рассчитать
общую производительность системы. Фотоэлектрическими системами,
соединенными с сетью планируется оснастить крыши зданий.
На
экспериментальном этапе проекта к зданию, которое будет питать
фотоэлектрическая система, нужно предъявить несколько требований.
Во-первых, это должен быть маломощный потребитель, например
библиотека, небольшой магазин. Такое здание потребляет сравнительно
небольшое количество электроэнергии, что удобно для проведения
эксперимента. Во-вторых, желательно, чтобы здание как можно ближе
находилось к трансформаторной подстанции. Это упростит процесс
подключения фотоэлектрической системы к сети. Кабель, соединяющий
фотоэлектрическую систему с сетью должен быть максимально коротким,
это позволит избежать ненужных потерь электроэнергии. В-третьих,
здание должно находиться в месте доступном для солнечных лучей в
течение всего года, его не должны загораживать деревья, другие здания. В
городе много трансформаторных подстанции, к которым можно
подключить фотоэлектрическую систему. В условиях централизованного
энергоснабжения, подключенная к сети фотоэлектрическая система может
9
обеспечивать часть необходимой нагрузки, другая часть при этом
поступает из сети. Такой способ энергоснабжения помимо ценной
информации, обеспечит бесплатной электроэнергией здание, а в случае не
удачи эксперимента, позволит питать здание электричеством из общей
электросети. Фотоэлектрическая система, подключенная к сети, должна
быть оснащена инвертером. Инвертор превращает постоянный ток низкого
напряжения в стандартный переменный ток. Инвертор может служить
"буфером" между фотоэлектрической системой и энергосистемой города,
позволяя отправлять избыток электроэнергии в общую электросеть, а так
же при недостатке энергии потреблять ее из сети.
В перспективе в
Губкине можно использовать две
фотоэлектрические системы. Каждая из них имеет свои минусы и плюсы.
Какая из них будет перспективнее в Губкине, точно можно будет сказать
после проведения экспериментального тестирования этих систем. В
Белгородской области, в частности в Губкине довольно сложно
прогнозировать количество солнечных дней году (прогнозы метеорологов
часто не совпадают с погодой в действительности), с этим возникают
проблемы при определении конфигурации фотоэлектрической системы.
Особенно при работе с автономной системой. Проблемы возникают в
частности с аккумулятором. Будет проблематично определить емкость
аккумулятора. Желательно чтобы аккумулятор позволял хранить энергию
как минимум в течение 4 дней. С возрастанием количества пасмурных
дней емкость аккумулятора необходимо увеличивать. А определить
количество таких дней трудно. Установка аккумулятора с большим
запасом емкости нежелательна, так как аккумулятор должен балансировать
со всей системой. В противном случае будет тереться небольшая часть
электроэнергии. Вообще аккумуляторы являются одним из самых
проблематичных мест в автономных фотоэлектрических системах. В них
теряется энергия при хранении, в процессе зарядки даже при оптимальных
параметрах системы. К тому же неправильная утилизация аккумуляторов
может нанести вред экологии. Но отказаться от использования
аккумуляторов нельзя. Потому что где то надо накапливать энергию,
чтобы компенсировать ее нехватку в пасмурную погоду и в ночное время.
Несомненным плюсом аккумулятор является то, что на их базе можно
создавать автономные системы, которые полностью обеспечивают себя
энергией. Такие системы могут играть роль резервного питания, и в случаи
аварии, например, обрыв линии электропередач проблем с обеспечением
энергии не будет. Авария, случившиеся в Москве и окрестностях 25 мая
2005 года, когда без электричества остались миллионы людей и десятки
тысяч предприятий, высветила, что почти нигде не было резервного
питания. Но такая деталь: в тот день в регионе были безоблачное небо и
жара за 30°. И если бы крыши зданий были оснащены
фотогальваническими панелями для производства электроэнергии от
солнечных лучей, энергокризис был бы не так страшен. Энергокризис
10
особенно опасен для предприятий и заводов. В Губкине есть
мясокомбинат, хлебозавод, теплица, завод сухих минеральных красок и
другие предприятия и заводы. На предприятиях и заводах целесообразно
установить резервные источники питания, в виде автономных
фотоэлектрических систем. Кроме аварийных ситуаций такие системы
могут питать потребителей электричеством и в штатных режимах.
Фотоэлектрические системы, соединенные с сетью позволяют
избежать потерь электроэнергии, связанных с использованием
аккумулятора. Однако их недостатком является необходимость
расположения рядом с сетью, иначе будут потери при передаче
электроэнергии. В Губкине довольно много трансформаторных
подстанций, к которым можно будет подсоединить фотоэлектрическую
систему. В будущем, когда будет близкое к ста процентам использование
возобновляемых источников энергии, такие системы будут представлять
собой небольшие электростанции, поставляющие электроэнергию в общую
энергосеть. А в случае необходимости потреблять энергию из энергосети.
Поэтому фотоэлектрические системы, соединенные с сетью тоже должны
осваиваться в Губкине. Развитие фотоэлектрических систем, соединенных
с сетью предусматривает третий этап проекта. Для развития таких систем
в городе есть неплохая база. Это развитая сеть линий электропередач.
Губкинский район электрических сетей сегодня — самый крупный в ОАО
«Белгородэнерго». На балансе РЭС 14 подстанций 35/110 кВ (3 из которых
напряжением 110 кВ); 655 ТП-6-10/0,4 кВ мощностью от 40 до 1000 КВА;
1056,7 км ВЛ-6,10 кВ; 974,75 км ВЛ-0,4 кВ; 278,18 км КЛ-6,10 кВ; 113,11
км КЛ-0,4 кВ. Такая база позволит создать в городе несколько
фотоэлектрических систем, которые будут отдавать свою энергий в общую
электросеть, при этом уменьшится нагрузка на традиционные
электростанции.
По
мере
возрастания
количества
солнечных
электростанции,
постепенно
станет
возможным
удовлетворять
большинство потребностей в электричестве за счет солнечной энергии.
Список литературы
1. Баранова С.В. Технологии будущего/ С.В. Баранова
[Электронный ресурс] // Ветроэнергетика «за» и «против». – 2007. - № 6. –
С.4 – Режим доступа: http: //www. belgorodenergo.ru/paper
2. Географическое расположение, рельеф и климат Белгородской
области
[Электронный
ресурс].
Режим
доступа:
http://www.belgorodobl.ru/geography
3. Развитие технологии кремниевого сырья для изготовления
солнечных батарей [Электронный ресурс]//Металлы. Режим доступа:
http://www.metal-inform.ru/inform
4. Изготовление солнечных батарей [Электронный ресурс]. Режим
доступа: http://borzoiromanovs.ru/cut-2276.html
11
5. Разработка методики оценки эффективности применения
нетрадиционных
и возобновляемых источников энергии для
энергосбережения и повышения энергоэффективности организаций РАО
«ЕЭС России» : отчет о НИР № 20-345. - Томск., 2001. - 266 с.
6. Коллиер Дж. Введение в ядерную энергетику/ Дж Коллиер, Дж.
Хьюитт. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 157 с. - ISBN
7. Шейндлин А.Е. Новая энергетика/ А.Е. Шейндлин. – М.: Наука,
1987. – 126 c. – ISBN