Дослідницька робота на конкурс.

                                   Міністерство освіти і науки України

Управління освіти, культури, сім’ї, молоді та спорту

НАУКОВО- ДОСЛІДНИЦЬКА РОБОТА

НА ТЕМУ:

«МАЙБУТНЄ ЗА СОНЯЧНИМИ  ЕЛЕКТРОСТАНЦІЯМИ»

                                                   Зміст

Опис роботи……………………………………………….  3, 4

Вступ ……………………………………………………………… .   5, 6    

Розділ І      Теоретична частина……………………………………   6 - 11  

1.1    Енергія сонця…………………………………………………  . 6 - 8                                                                                                      

1.2    Різновиди сонячних батарей…………………………………   9

1.3    Ціна сонячних акумуляторів…………………………………   10

1.4    Скільки можна заробити на сонячній станції? ……………..  10,11

Розділ ІІ     Практична частина……………………………………   12, 13

Висновок…………………………………………………………….  14

Список використаних джерел та літератури……………………… 15

Додатки……………………………………………………………….16

                                  ОПИС РОБОТИ

 Санченко Злати, учениці 4-Б класу Козелецької гімназії № 1 Козелецької селищної ради Чернігівської області т. 068 540 64 44

Предмет дослідження : сонячна енергія.

Об’єкт дослідження: сонячні батареї.

Мета: Дослідити,  як сонячна енергія перетворюється на електричну, як сонячні батареї допомагають зекономити кошти людини  при оплаті за електроенергію та зберегти навколишнє середовище від забруднень.

Для досягнення мети були визначені такі завдання:

• зібрати та систематизувати матеріал про енергію Сонця;
• ознайомитись із різновидностями сонячних батарей та цінами на них;
• проаналізувати скільки можна заробити на домашній сонячній станції;
• співставити затрачені кошти на придбання та встановлення сонячних батарей на будинок із прибутком від  їх використання.

Методи дослідження:

• пошуковий – створення інформативної бази;
• статистичний – відслідкувати розрахунки та прибуток;
• узагальнення – співставлення фактів, систематизація їх та формулювання висновків.

Актуальність теми:

Вирішення проблем енергетики за рахунок використання відновлювальних джерел енергії.

Практичне значення:

 Інформація, яка подана в дослідженні , допоможе всім бажаючим придбати домашні сонячні станції, що допоможе зекономити власні кошти при розрахунку за електроенергію та  зробити  вагомий внесок у збереження екології Землі.

Наша родина в 2017 році також вирішила скористатись «зеленою енергією», установивши сонячні панелі в себе на даху. Чи це вигідно, чи безпечно, чи затратно? Про все це в моєму дослідженні. Наша станція, яку ми встановили, має потужність 17 кВт. Особисто ми продаємо невеликий надлишок в електромережу лише в літні місяці, через те, що в будинку живе 4 людини у нас досить велике власне споживання: опалення, баня, побутова техніка…  У літні місяці станція виробляє більше електроенергії , ніж ми споживаємо. Взимку купуємо елекроенергію в мережі, бо потужності станції не вистачає в цей період. Тому у 2021 році встановили ще 40 панелей на гараж.

Гіпотеза: «Чи дійсно енергія Сонця є відновлювальним джерелом енергії?»

• Прорахували  кількість сонячних батарей для власного будинку.
• Замовили в Китаї сонячні панелі.
• Придбали кріплення для встановлення панелей на будинок та інвертор для перетворення сонячної енергії в електричну, провели установку.

Висновок:  Наші дослідження довели, що «зелена енергія» - вигідне вкладення грошей.

                                                  Вступ

Зараз перед енергетикою стоїть багато проблем, і найбільш гострою є проблема її джерел. На сьогоднішній день 6 млрд. людей на Землі споживають більше 12млрд. кВт енергії за рік, тобто в середньому 2кВт на людину.

Ця енергія отримується за рахунок:

вугілля  - 26%, нафти – 42%, газу- 20%, гідроенергії-4%,  ядерної- 5%,  інших джерел – 3%. Тобто, біля 90% енергії ми отримуємо за рахунок органічних видів палива. Ці джерела енергії ще називають невідновлювальними, бо швидкість їх накопичення в надрах Землі набагато менша швидкості їх використання (приблизно у 106 разів). Якщо враховувати так звані геологічні запаси, які будуть своєчасно розвідані, а експлуатація їх не затримається, то з урахуванням всезростаючого рівня витрат енергії органічного палива може вистачити ще років на 150.  Причому, тільки вугілля ще може довгий час зберігати своє місце в енергетичному балансі. Проте використання його супроводжується високим рівнем забруднення атмосфери Землі. Ядерна енергетика також не може бути перспективним видом енергії через високий ризик радіоактивного забруднення навколишнього середовища.

Тому у світі все більше звертають увагу на використання так званих відновлювальних джерел енергії- тепла Землі, енергії вітру, припливів та відпливів, біогазу, сонячного випромінювання . Практично всі ці джерела енергії повністю зумовлені прямою дією Сонця. Серед зазначених джерел одним із найбільш перспективних є пряме перетворення сонячного випромінювання в електрику в напівпровідникових сонячних елементах.

Підраховано, що невеликий відсоток сонячної енергії цілком достатній для забезпечення потреб транспорту, промисловості, нашого побуту не лише тепер, а і в майбутньому. Проте, сонячна енергія падає на всю поверхню Землі ніде не досягаючи особливої інтенсивності. Тому її потрібно зловити на порівняно

великій площі, сконцентрувати та перетворити на таку форму, яку можна використати для потреб людини. Крім того, треба вміти створювати її запаси щоб підтримувати енергопостачання вночі та в похмурі дні.

Сонце – джерело енергії дуже великої потужності. Всього 22 дні сонячного сяяння по сумарній потужності, що приходить на Землю, дорівнює всім запасам органічного палива на планеті. Енергія Сонця, як вважають експерти, найсуттєвіше в енергетиці, оскільки фотоелектричні установки не впливають на природне середовище, вони -  безшумні, не мають рухомих частин, вимагають мінімального обслуговування, не потребують води. Їх можна вмонтовувати у віддалених або посушливих районах. «Перевізник» сонячної енергії- випромінювання. Воно складається з видимих світлових променів та невидимого ультрафіолетового та інфрачервоного випромінювання. Сонце, газова куля, яка яскраво світить, складається з водню та гелію. Енергія- це результат термоядерних реакцій. При цьому Сонце втрачає мільйон тон своєї маси кожну секунду. Наша Земля отримує значну частину цієї енергії приблизно 180 000 млрд. кВт. Це у 18 тис. разів більше, ніж та кількість енергії, яку людство виробило до сьогоднішнього дня на всій Землі.

Розділ І    Теоретична частина      

 1.1  Енергія сонця

      Сонце -  рядова зоря, жовтий карлик. Жовтий, бо якщо подивитись на розподіл енергії в спектрі, максимум енергії припадає на частину жовтого кольору, а  карлик, бо невеликого розміру. Видима поверхня Сонця, фотосфера, (сфера світла) має температуру близько 5700 градусів. Наша зоря – саморегулюючий термоядерний реактор, що забезпечує тривале і стабільне виробництво енергії. Найважливіша реакція – перетворення водню на гелій в ядрі Сонця . Воно триває мільярди років. У ядрі шляхом цих реакцій утворюються кванти, які після довгих блукань в зоні променистого переносу досягають поверхні Сонця. У середньому кванти добираються до неї приблизно за мільйон років. У наступному шарі енергія переноситься вже не  випромінюванням , а  конвекцією. Величезні потоки гарячого газу піднімаються вгору, де віддають своє тепло, а охолоджений сонячний газ опускається донизу. Здається, що сонячна речовина кипить і перемішується, як в’язка крупінчата  маса на вогні. Конвективна зона сягає найвидимішої поверхні Сонця, фотосфери. Щодня водень на сонці перетворюється в гелій за допомогою мільйонів хімічних реакцій. Побічним продуктом цих реакцій є тепло. Тепло, що виділяється від хімічних реакцій Сонця, не залишається поблизу Сонця, а випромінюється подалі від нього та у космос. Велика кількість  енергії вивільняється завдяки реакціям, тому  частина її все ж таки доходить до Землі, навіть, не зважаючи на те, що Земля знаходиться в  мільйонах миль від Сонця. Частина теплової енергії від Сонця відштовхується від земної атмосфери, а частина потрапляє через земну поверхню. Енергія, яка дійде до поверхні Землі, зігріває її. Зайва енергія викликає хімічні реакції, які знову віддають тепло як побічний продукт. Частина теплової енергії затримується парниковими газами в атмосфері , а температура Землі підвищується. Крихітної частки сонячної енергії, яка досягає Землі, достатньо для нагрівання планети та керування глобальною системою погоди, прогріваючи атмосферу та океани. Енергію, яка отримується від Сонця, необхідно перетворити на якийсь інший вид. Необхідність цього виникає з огляду на те, що людство досі не має таких прикладів, які б могли споживати сонячну енергію в чистому вигляді. Тому були розроблені такі джерела енергії, як сонячний колектор і сонячні батареї. Якщо перший використовується для отримання теплової енергії, то інший продукує безпосередньо електрику.

Існує декілька способів перетворення енергії Сонця:

• фотовольтаїка;
• термоповітряна енергетика;
• геліотермальна енергетика;
•  використання сонячних аеростатних елекростанцій.

Найбільш поширеним методом вважається фотовольтаїка. Принцип цього перетворення полягає у використанні фотоелектричних сонячних панелей або як ще їх називають сонячних батарей, за допомогою яких і відбувається перетворення сонячної енергії в електричну. Як правило , виготовляють такі панелі з кремнію, а  товщина їх робочої поверхні складає всього декілька десятих міліметра. Відмінний варіант для установки фотопластин – дахи житлових будинків і громадських будівель. Окрім розглянутих фотопластин для перетворення енергії сонячного випромінювання використовують тонкоплівкові панелі. Відрізняються вони ще меншою товщиною, що дозволяє встановити їх де завгодно, але значний недолік таких панелей – це низький коефіцієнт корисної дії. Саме з цієї причини їх монтаж буде виправданий тільки при великих площах розміщення. Заради експерименту тонкоплівкову панель можна розмістити навіть на корпусі ноутбукадамській сумочці. Усі елементи сонячних панелей  можуть перероблятися на 100%. 

1.2  Які сонячні  батареї бувають?

Існують монокристалічні батареї. Вони  мають однорідний колір, що є свідченням того, що вихідний кристал складається з одного зерна. Ще одна зовнішня ознака – округлені кути. Монокристалічні елементи мають найбільш високий показник ефективності, що знаходиться на рівні 23% . Досягається цей показник завдяки високому ступеню очищення кремнію.

Полікристалічні елементи мають квадратну форму, неоднорідну структуру, яка обумовлюється різними розмірами і формою кристалів, а також наявністю домішок. Полікристалічні побратими можуть похвалитися лише 18% ефективності. Домішки вуглецю, кисню та інших елементів зменшують робочу площу батареї.

Тонкоплівкові сонячні батареї складаються з тонких шарів кремнію. Кремній напиляється на фольгу або скло в умовах вакууму. Такі батареї можуть відрізнятися матеріалами шарів, які формуються з аморфного кремнію, органічних речовин, індію, селеніду.

Тонкоплівкові моделі показують ефективність на 13%. Обмеження пов’язані з фізичними розмірами панелей.

1.3    Вартість сонячних батарей

Вартість монокристалічних елементів вища за інших при розрахунку на одиницю потужності. Компактність, висока продуктивність дозволяють використовувати меншу площу, відведену для розміщення батарей. Вони мають довгий термін експлуатації. Виробники таких джерел гарантують, що їх продукти виробництва прослужать мінімум 25 років.

Вартість полікристалічних батарей більш прийнятна. Менш витратний метод виробництва робить їх вартість набагато привабливішою на світовому ринку.

Недоліками є низька частота кремнію, використання більшого простору, щоб досягти розрахункової потужності потрібно встановлювати більше батарей.

Чутливість до високих температур ( велика кількість домішок) позначається на термінах служби цих  батарей.

Низька собівартість виробництва тонкоплівкових батарей – низька вартість для кінцевого споживача.

Приємна естетика, стійкість  до нагрівання. Тонкоплівкові батареї  називають стабільними та універсальними, які підходять для різного клімату.

Недоліками є велика площа покриття, додаткові витрати на купівлю опорних конструкцій, кабелю та інших витратних матеріалів.

Станції, що працюють на сонячній енергії взагалі безшумні.

Сьогодні вже 55 країн, 140 найбільших корпорацій і сотні міст взяли на себе зобов’язання повністю перейти на 100% відновлення енергії. Більшість країн належать до тих, де суворо дбають про екологію, піклуються про здоров’я та майбутнє своїх громадян . (додаток №1(а.б )

1.4 Скільки можна заробити на домашній сонячній станції?

Якщо у вас є приватний будинок і ви хочете заробляти на енергії Сонця, то ідеальним рішенням для вас буде встановлення мережевої сонячної електростанції з подальшим продажем надлишків електроенергії в мережу. В Україні для домогосподарств можна встановлювати сонячні станції з  максимальною потужністю до 30 кВт. Це означає, що ви можете з такої станції щороку заробляти по 5700 $ чистого прибутку.

Мережева сонячна станція працює наступним чином:

- коли світить сонце, то надлишок енергії від вашої станції йде  у загальну    мережу;

- вночі, коли сонячна станція не працює, ви споживаєте електроенергію із загальної мережі;

- у кінці місяця проводиться підрахунок: скільки кіловат ви виробили та скільки кіловат ви спожили, тоді держава вам заплатить за кожен кіловат по «зеленому» тарифу( по 0,18є за кВтг – це зараз один із найкращих «зелених» тарифів у Європі). Якщо ж ви спожили більше, ніж виробили, то ви заплатите за електроенергію по звичайному тарифу. Гроші за вироблену електроенергію надходитимуть на ваш банківський рахунок. При цьому вам не потрібно самостійно платити податки -  на ваш рахунок будуть надходити кошти вже з відрахуванням податків (19,5%), тобто ваш чистий прибуток.

Чи допоможуть сонячні панелі, якщо в будинку часто зникає електрика?

Якщо у вас нестабільна мережа, то вам доцільно встановити гібридну сонячну електростанцію. Під нестабільною мережею мається на увазі мережа, де електроенергія зникає по декілька разів на тиждень. Якщо ж електрика зникає лише раз на місяць і то на пару годин, в такому випадку вам буде дешевше встановити локальний UPS (джерело безперебійного живлення) для приладів першої необхідності.

Гібридна сонячна станція складається з таких компонентів:

1. Акумулятори
2. Контролери заряду
3. Сонячні панелі
4. Інвертор, який переробляє постійний струм у змінний

Окрім, того гібридна станція оберігатиме вас від раптового відключення електроенергії.

          Розділ ІІ      Практична  частина

 Мій тато працює у ТОВ «ВС Енержді інтернейшнл Україна» (Київ) директором з розвитку. Робота пов’язана з електричною енергією. Дуже часто він буває у відрядженнях за кордоном.  У 2017 році працював у Бельгії. (див. додаток №2 (а, б).  Там і познайомився з використанням «зеленої» енергії.

У 2017 році в Україні розпочався справжній бум на встановлення сонячних батарей.  Нашу родину дуже зацікавила ця ідея. Адже, енергію можна  споживати  не тільки для власних потреб, але й продавати її.

Тато самостійно зробив підрахунки. У результаті було визначено , що загальна потужність для нашого будинку становить 17 кВт.

Тато замовив у Китаї 44 монокристалічні панелі потужністю по  295 Вт. Ціна однієї панелі  - 3 000 грн. Отже, за 44 сонячні панелі наша родина заплатила 132 000 грн.  Замовлення прийшло через 4 місяці. Для встановлення на даху будівлі скористалися послугою організації UNASOLAR. (див. додаток № 3). Для встановлення панелей на даху були придбані алюмінієві конструкції на суму 40 000 грн. Монтаж панелей обійшовся нашій родині в 1000 $. Для перетворення сонячної енергії в електричну тато купив  інвертор.  Цей пристрій українського виробництва придбали по ціні 50 000 грн. (див. додаток № 4)

І розпочалося найцікавіше. (див.додаток № 5 а. б)  Як же  Сонце працює  з нашими сонячними панелями? Сонце потрапляє на батареї, проходить хімічна реакція. Інвертор перетворює енергію з 12 вольт постійного струму  на 220  змінного струму. Частина  енергія використовувалась на споживання нашим домогосподарством, а решта переходила в мережу Чернігів обленерго. Ми уклали договір з обленерго , в якому було прописано, що за приєднання за кожний кіловат платитимемо по 1584 грн з ПДВ. У нас 17 кВт, отже оплата – 26 928 грн.

Коли підрахували всі витрати, то вийшли на суму 279 000 грн. Ця сума за татовими підрахунками повинна окупитись за 5 років. Ми провели помісячний аналіз роботи наших батарей за 2020 рік .( див. додаток №6)

Провівши підрахунки, зробили висновок, що :

-  оплатила за рік родина – 3176грн. 88 коп.;

-  виплата(дохід)  - 50 000 грн.;

-  спожито(у грн) -  5433х 1.68 = 9127.44 грн;

-  9127.44 – 3176.88 =5950.56грн (покриває сонце);

-  дохід за рік – 50 000+5950.56=56 000грн;

- втрати в мережі (на роботу інвертора);

- показники обленерго 11358.67.

Сьогодні - 2022 рік. Останній рік і наша родина почне отримувати чистий прибуток.

                                          Висновок

Сонячна енергія задовольняє багато потреб людини в побуті. Безумовно існують і недоліки, але вони незначні. Сонячна енергетика не зачіпає тваринний світ, водне середовище, людське існування. Сучасні сонячні електростанції- це один із напрямків поліпшення стану екології.

Всі види сонячних батарей не потребують особливого обслуговування, мають тривалий термін використання, що дозволяє проводити довгострокові плани модернізації енергомережі.

Як для мене, дитини, важливим є те, що зекономлені кошти батьками, дають можливість витратити їх на подорожі, цікаві екскурсії, які так полюбляють всі члени нашої родини. А ще на благочинність. Адже наша сім’я завжди допомагає хворим дітям у нашому невеличкому містечку. Бути на гребені хвилі сучасності та суперекономії – це вигідно для людини та корисно для всього живого на планеті.

Моє дослідження є дуже актуальним на даному етапі , адже кошти вкладені в зелену енергію виправдають затрати та принесуть значний прибуток в родину.

Зі своєю роботою я виступала перед батьками та вчителями нашої гімназії. Зацікавились слухачі, та вже  3 родини замовили підрахунки для своїх будинків. Хочеться вірити, що  декілька сімей скористаються зеленою енергією і тим збережуть хоча б   незначну частинку нашої планети.

 Перехід на сонячну енергію  - майбутнє, яке активно використовується в державах по всьому світу.

          Список використаних джерел та літератури:

1. «Енергія Сонця»       Режим доступу:  file:///C:/Users/Наталія/Сонце%20–%20як%20джерело%20енергії.html
2. «Як тепло передається від Сонця на землю»      Режим доступу: https://uk.lamscience.com/how-is-heat-transferred-from-sun-earth
3. « Сонце – як джерело енергії» Режим доступу : https://joule.ua/faq/domashni_ses
4. « Сонячна електростанція для приватного будинку»     Режим доступу: https://joule.ua/faq/domashni_ses
5. «Сонячна енергетика. Теорія та практика»     Й.С. Мисак,   О.Т.Возняк
6. « Сонячні батареї. Від теорії до практики»     А. Ушуров