Ефективність використання сонячної енергії в кліматичних умовах Волині

Управління освіти і науки Волинської облдержадміністрації

Волинське відділення МАН України

Загальноосвітня школа І-ІІІ ступеня с. Любохини

 

 

 

 

 

Відділення: технічних наук

Секція: екологічно безпечні технології та ресурсозбереження

 

 

 

 

 

 

 

 

Ефективність використання сонячної енергії в кліматичних умовах Волині

 

Роботу виконала:

Кривець Лілія

учениця 11 класу

ЗОШ І-ІІІ ступеня

с. Любохини

 

 

 

Науковий керівник:

Цьось Ю. А.

вчитель фізики

ЗОШ І-ІІІ ступеня

с. Любохини

 

 

 

 

 

 

 

Любохини – 2014

Зміст

 

ВСТУП...........................................3

РОЗДІЛ 1. ЕНЕРГІЯ СОНЯЧНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ........5

1.1. Сонце як джерело енергії.............................5

1.2. Технології використання сонячної енергії.................6

1.2.1. Сонячні колектори............................7

1.2.2 Сонячні батареї...............................9

 

РОЗДІЛ 2. ПЕРСПЕКТИВИ ВИКОРИСТАННЯ СОНЯЧНОЇ

ЕНЕРГІЇ НА ВОЛИНІ . ………………………………………………..... 12

2.1. . Географічні фактори використання сонячної енергії.........12

2.2. . Методи розрахунку геліоресурсів.....................13

2.3. . Економічне обгрунтування застосування

сонячних колекторів ……………………………………………………...16

 

ВИСНОВКИ........................................19

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ.....................20

ДОДАТКИ .........................................21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВСТУП

Енергія є основою життя людського суспільства, і його прогресивний розвиток пов′язаний із безпосереднім зростанням енергоспоживання. Це споживання зросло протягом двадцятого століття більш ніж у 100 разів, при цьому органічного палива було спалено у багато разів більше, ніж за весь попередній час.

Традиційні джерела енергії ( нафта, газ, ядерне пальне) вичерпуються, їх використання руйнує і забруднює землю, водні ресурси та повітря. Тобто, ми стоїмо перед глобальними енергетичними та екологічними проблемами.

Характерною тенденцією сучасної енергетики є розвиток екологічно чистої енергетики на основі нетрадиційних та відновлюваних джерел енергії.

В Україні необхідність впровадження альтернативних джерел енергії зумовлена високою енергозалежністю країни, нестійкістю цін на традиційні паливні та складною економічною ситуацією.

Альтернативна енергетика включає в себе енергію сонця, вітру, припливів, морських хвиль, геотермальну енергію та біомасу.

Сонячна енергія є джерелом енергії вітру, води, тепла морів, біомаси, а також причиною утворення протягом тисячоліть торфу, бурого і кам’яного вугілля, нафти і природного газу, однак ця енергія опосередкована і накопичена протягом тисяч і мільйонів років.

Світлове випромінювання можна уловлювати та використовувати безпосередньо тоді, коли воно досягає Землі. Це пряме використання сонячної енергії. Метод прямого перетворення сонячного випромінювання в електрику є, по-перше, найбільш зручним для споживача, оскільки отримується найбільш вживаний вид енергії, і, по-друге, такий метод вважається екологічно чистим на відміну від інших, які використовують органічне паливо, ядерну сировину чи гідроресурси.

Сонце як невичерпне, екологічно бездоганне і загальнодоступне природне джерело постійно забезпечує понад 1кВт енергії на кожний квадратний метр площі. Досягнення технології вже зараз дають змогу використовувати це джерело для вироблення тепла і електроенергії, вартість якої наближається до традиційної.

Актуальність роботи полягає у тому, що в з’вязку погіршенням енергетичної ситуації в країні сонячна енергія, яка є екологічно чистою, може замінити значну частину традиційної енергетики .

Новизна наукової роботи полягає в дослідженні ефективності методів переробки та використання сонячної енергії на Волині.

Метою наукової роботи є ознайомлення з сучасним положенням розвитку сонячної енергетики та способами її перетворення в інші види енергії, які можна використовувати як у приватному секторі так і в промисловості.

Мета роботи передбачає розв’язання таких завдань:

•      описати способи отримання енергії за рахунок сонячного випромінювання;
•      охарактеризувати методи претворення енергії сонячного випромінювання в інші види;
•      оцінити  ефективність використання колекторів та сонячних батарей;
•      описати методи розрахунку геліоенергетичних ресурсів.

Об’єктом дослідження  є енергія сонячного випромінювання.

Предмет дослідження – ефективність використання сонячних батарей та колекторів .

Практичне значення цієї роботи полягає в можливості використання її результатів як власниками індивідуальних господарств так і промислових об’єктів, а також  на уроках фізики, факультативах, гуртках.

 Джерельною базою наукової роботи є матеріали, зібрані членами секції, досліди, теоретичні підрахунки та дані, взяті з огляду літератури.

Теоретичну базу дослідження становлять наукові праці, які використовувалися під час дослідження, огляд літератури.

РОЗДІЛ 1. ЕНЕРГІЯ СОНЯЧНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ

Сонце – невичерпне джерело енергії, потенціал якого людству ще належить гідно оцінити. Сонячна енергія – це кінетична енергія випромінювання (в основному світла), яка утворюється в результаті термоядерних реакцій у надрах Сонця. Сонячна енергетика – прогресивний метод отримання різного виду енергії, використовуючи сонячне випромінювання.

1.1. Сонце як джерело енергії

Ще в старовину люди почали замислюватися про можливість вживання сонячної енергії. Згідно легенди, великий грецький вчений Архімед спалив ворожий флот, що оточив його рідне місто Сіракузи, за допомогою системи дзеркал. Напевно відомо, що близько 3000 років тому султанський палац в Туреччині обігрівався водою, нагрітою сонячною енергією. Стародавні жителі Африки, Азії і Середземномор'я одержували кухонну сіль, випаровуючи морську воду. Справжній "сонячний бум" почався в XVIII сторіччі, коли наука, була звільнена від пут релігійних марновірств.

Перші сонячні нагрівачі з'явилися у Франції. Природодослідник Ж. Бюффон створив велике увігнуте дзеркало, яке фокусувало в одній точці відображене сонячне проміння. Це дзеркало було здатне в ясний день швидко запалити сухе дерево на відстані 68 метрів. Незабаром після цього шведський вчений Н. Соссюр побудував перший водонагрівач. Це був всього лише дерев'яний ящик з скляною кришкою, проте вода, налита в нехитре пристосування, нагрівалася сонцем до 88°С. В 1774 році великий французький вчений А. Лавуазье вперше застосував лінзи для концентрації теплової енергії сонця. Незабаром в Англії відшліфували велике двоопукле скло, що розплавляло чавун за три секунди і граніт – за хвилину.

Перші сонячні батареї, здатні перетворювати сонячну енергію в механічну, були побудовані знову-таки у Франції. В кінці XIX століття на Всесвітній виставці в Парижі винахідник О.Мушо демонстрував інсолятор –апарат, який за допомогою дзеркала фокусував проміння на паровому казані. Казан приводив в дію друкарську машину, що друкувала по 500 відтиснень газети в годину. Через декілька років в США побудували подібний апарат потужністю в 15 кінських сил .

На початку XX століття Альберт Ейнштейн створив теорію фотоефекту, і в руках дослідників з'явилися, здавалося б, всі інструменти для оволодіння цим джерелом енергії. Були створені фотоелементи на основі селену, потім – талієві. Але вони володіли дуже малим коефіцієнтом корисної дії і знайшли вживання тільки в пристроях управління, подібних звичним турнікетам в метро, в яких промінь світла перегороджує дорогу безбілетникам.

Наступний крок був зроблений, коли вченими були детально вивчені відкриті ще в 70-х роках минулого століття фотоелектричні властивості напівпровідників. Виявилося, що напівпровідники набагато ефективніше за метали перетворять сонячне світло в електричну енергію.[1]

Академік Абрам Федорович Іоффе мріяв про використання напівпровідників в сонячній енергетиці ще в 30-ті роки, коли співробітники керованого ним Фізико-технічного інституту АН СРСР в Ленінграді Б.Т.Коломієць і Ю.П.Маслаковець створили мідно-талієві фотоелементи з рекордним для того часу коефіцієнтом корисної дії – 1%. Наступним кроком у цьому напрямі пошуку було створення кремнієвих фотоелементів. Вже перші зразки їх мали коефіцієнт корисної дії 6%. Використовуючи такі елементи, можна було подумати і про практичне отримання електричної енергії з сонячного проміння.

 

1.2.  Технології використання сонячної енергії

Останніми роками сонячна енер­гетика в світі розвивається дуже інтенсивно (Додаток А). У 2005 р. світове виробництво кремнієвих перетворювачів сонячної енергії досягло 1,8 ГВт, а в 2030 р. Європа планує освоїти виробництво 200 ГВт сонячних модулів зі значним зниженням вартості виробленої електроенергії. Україна має напрацьовані технології випуску сонячних модулів, які здійснюють перетворення сонячної енергії в електричну за допомогою фотоперетворювачів на основі полікристалічного кремнію, і експортує їх в Європу. Українські компанії при належному фінансуванні можуть за 1–2 роки освоїти серійний випуск великих партій сонячних фотомодулів, суттєво знизити питомі витрати кремнію і вартість електроенергії.

Розрізняють два основні види перетворення сонячної енергії: сонячні колектори, в яких сонячна енергія перетворюється спочатку на теплову, а потім, якщо потрібно, на електричну; фотогальванічні елементи, що перетворюють сонячну енергію безпосередньо на електричну[2].

 

1.2.1.  Сонячні колектори

Сонячний колектор – це засіб для збирання сонячної енергії, яка використовується для підігрівання води для побутових потреб. На даху будинку або на його південній стіні встановлюють панель, що складається з тоненьких трубочок, якими у спеціальний бак-акумулятор подають воду. Сонце нагріває трубки, які нагрівають воду, вода (температура якої може доходити до 60-90 °С) накопичується у баку і потім використовується для обігріву або забезпечення гарячою водою.

Сонячні колектори поділяются на такі види:

а) плаский колектор складається з елементу, що поглинає сонячне випромінювання, прозорого покриття та термоізолюючого шару. Поглинаючий елемент називається абсорбентом, він з'єднаний з теплопровідною системою. Прозорий елемент зазвичай виконується з загартованого скла з пониженим вмістом металів. При відсутності відбору тепла (застої) пласкі колектори здатні нагрівати воду до 190—200 °C. Чим більше енергії випромінювання передається теплоносію, що протікає в колекторі, тим вища його ефективність. Підвищити її можна, застосовуючи спеціальне оптичне покриття, яке не випромінює тепла в інфрачервоному спектрі. Стандартним способом підвищення ефективності колектора стало застосування абсорбента з листової міді через її високу теплопровідність:

 б) параболічні та спіральні концентратори: сонячні промені потрапляють на віддзеркалюючу поверхню, відбиваються на трубу колектора та нагрівають її та речовину, що знаходиться в ній. На цьому принципі базується механізм дії сонячних ферм: на ділянках, не придатних для землеробства, ґратчасті панелі зі сталевих труб, що вловлюють сонячні промені; азот, що циркулює у трубах, збирає тепло та відводить його до резер­вуарів з розплавленими солями, які здатні зберігати високу температуру декілька діб; за потреби цю енергію можна вико­ристовувати для виробництва електричного струму;

в) система з центральним колектором: складається з великої кількості керованих дзеркал-геліостатів, які відбивають соняч­ну радіацію та спрямовують її на центральний приймач. Цей принцип використовується у сонячних електростанціях башто­вого типу, де приймач розміщений на високій башті, та у соняч­них пічках: параболічне дзеркало встановлюється нерухомо та орієнтується на північ (у Північній півкулі), навпроти нього встановлюються геліостати з системою спостереження за рухом сонця; сонячні промені надходять на геліостати, відбиваються на дзеркало, а потім на приймач — фокус установки[2].

Сонячні колектори застосовують для опалення промислових і побутових приміщень, гарячого водопостачання виробничих процесів, побутових потреб. Найбільша кількість виробничих процесів, в яких використовується тепла та гаряча вода (30-90 °C), проходять в харчовій і текстильній промисловості, які таким чином мають найвищий потенціал для використання сонячних колекторів. У Європі в 2000 році загальна площа сонячних колекторів становить 14,89 млн м², а в усьому світі — 71,341 млн м². Сонячні колектори-концентратори можуть виробляти електроенергію за допомогою фотоелектричних елементів або двигуна Стірлінга.

 

1.2.2.  Сонячні батареї

Сонячна батарея – це електрична установка, що генерує постійний струм та складається з орієнтованих за сонцем сонячних модулів, які мають спільну несучу конструкцію.

Сонячні або фотогальванічні елементи виробляють електрику безпосередньо, коли на них потрапляють сонячні промені. Вони не мають рухомих частин, не споживають палива, не виробляють забруднення протягом роботи і можуть бути зроблені з одного з найбільш розповсюджених елементів на Земній кулі – кремнію.

Технологія виробництва сонячних вічок вже добре розвинена. Її було впроваджено на початку 1960-х років в космічних програмах США та СРСР для забезпечення потреб супутників в електричній енергії, що може працювати надійно протягом тривалих відрізків часу. В космічній програмі єдиною необхідною вимогою для цієї технології була ефективність. Дослідження таким чином концентрувались на досягненні найбільшої кількості ват на кожне вічко, незалежно від матеріальних витрат. Висока вартість з цього моменту стала головною перешкодою для цієї технології.

Сонячні батареї функціонують наступним чином. Коли сонячне світло потрапляє на кристал кремнію, воно вибиває електрон з його зафіксованої позиції в кристалічній структурі. Негативно заряджені електрони таким чином звільняються для руху і генерації струму, проте при звичайних обставинах вони швидко перетворюються знов на позитивно заряджені “дірки”, якими вони були[3].

З метою отримання корисної роботи сонячних панелей повинно бути налагоджено електричний бар’єр, який зупиняв би вільні електрони від простого потрапляння до ближньої дірки. Бар’єр розподіляє електрони і дірки, негативно і позитивно заряджені, й спрямовує їх у різні напрямки. Це здійснюється додаванням в кремній невеликих кількостей включень, які роблять його напівпровідником. Якщо, наприклад, додається фосфор, створюється надлишок електронів порівняно з дірками, і утворюється напівпровідник “n-типу”, в якому деякі електрони отримують умови для руху. Але для того, щоб отримати електричний струм, також потрібний позитивний заряд; тоді додають такий елемент, як бор, в інший кристал кварцу, створюючи додаткові дірки або позитивно заряджений напівпровідник “р-типу”. В фотогальванічних елементах напівпровідники  “n-типу”і “р-типу” поєднано разом і їхні зовнішні поверхні пов’язано електричним контактом (Додаток Б ).

Перша сонячна батарея була створена в 1953 році вченими Національного аерокосмічного агентства США, які створили справжню сонячну батарею - пристрій, що безпосередньо перетворює енергію сонця в електрику.

Людство готувалося зробити крок в космос. Завдання забезпечення енергією численних механізмів і приладів космічних кораблів стало однією з першочергових. Існуючі акумулятори, в яких можна б було створити запас електричної енергії, неприйнятно громіздкі і важкі. Дуже велика частина корисного навантаження корабля пішла б на перевезення джерел енергії, які, крім того, поступово витрачаючись, скоро перетворилися б на даремний громіздкий баласт. Найпринаднішим було б мати на борту космічного корабля власну електростанцію, бажано – що обходиться без палива. З цієї точки зору сонячна батарея виявилася дуже зручним пристроєм. На цей пристрій і звернули увагу вчені на самому початку космічної ери.

Вже третій радянський штучний супутник Землі, виведений на орбіту 15 травня 1958 року, був оснащений сонячною батареєю. А зараз широко розкриті крила, на яких розміщені цілі сонячні електростанції, стали невід'ємною деталлю конструкції будь-якого космічного апарату. Невеликі (менше 1 вата) фотоелектричні батареї живили радіопередавач американського космічного супутника «Авангард». Взагалі, космічні дослідження зіграли важливу роль в розвитку фотоелементів.

У 1954 р. в лабораторії компанії «Bell Telephone» синтезували силіконовий фотоелектричний елемент з ККД 4%, надалі ефективність досягла 11%.

Під час нафтової кризи 1973-74 рр. відразу декілька країн запустили програми по використанню фотоелементів, що привело до установки і випробування понад 3100 фотоелектричних систем лише в Сполучених Штатах. Багато цих систем до цього часу знаходиться в експлуатації.

Подальша історія розвитку технології фотоелементів:

1974 - перша аморфна кремнієва батарея;

1983 - перша електростанція на основі сонячних батарей з потужністю більш 1мегаватт;

1984 - США, електростанція на основі сонячних батарей потужністю 6,5 мегават;

1985 - перша сонячна батарея з коефіцієнтом корисної дії більше 20%;

1987 - перше серійне виробництво сонячних батарей в Європі;

1989 - сонячна батарея з коефіцієнтом корисної дії більше 30%;

2007 - дослідники з Делавера (США) створили сонячну батарею, яка володіє рекордною ефективністю – 42,8%. Батарея, виконана на основі полікристалічного кремнію містить унікальну оптичну систему, що розділяє світло на декілька пучків з різною енергією і спрямовує їх на відповідні приймачі.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РОЗДІЛ 2. ПЕРСПЕКТИВИ ВИКОРИСТАННЯ СОНЯЧНОЇ ЕНЕРГІЇ НА ВОЛИНІ

2.1. Географічні фактори використання сонячної енергії

Опрацювавши різноманітну літературу, ми зробили висновок, що головними фізико-географічними чинниками, що впливають на геліоенергетичні ресурси, є:

•      кут падіння сонячних променів на приймальну поверхню та особливості його динаміки;
•      хмарність та її особливості;
•      аерозольна прозорість атмосфери;
•      властивості рельєфу.

Кількість надходження сонячної радіації на одиницю земної поверхні залежить від кута падіння сонячних променів. Максимальна кількість сонячної радіації надходить на поверхню, що розміщена перпендикулярно до потоку сонячних променів. Виходячи з цього, сонячні батареї доцільно розміщувати з орієнтацією на південь, під кутом до поверхні землі, що забезпечує максимальне надходження сонячної енергії на їх поверхню протягом року. 

Другим за важливістю чинником є хмарність. Хмарність значно зменшує надходження прямої сонячної радіації, яка є головним джерелом енергії для сонячних електростанцій, на відміну від розсіяної радіації. Тому використання сонячних батарей у регіонах, для яких характерна часта або тривала хмарність, є малоефективним. Такими є регіони з переважаючою циклонічною діяльністю.

Аерозольна прозорість атмосфери впливає так само, як і хмарність. Аерозольне забруднення розсіює пряму радіацію та зменшує її надходження до поверхні землі. Воно може бути спричинене як фізико-географічними чинниками, такими як пилові, піщані бурі тощо, так і економічно-географічними факторами.

Властивості рельєфу впливають в першу чергу на відкритість горизонту щодо надходження сонячних променів. Проте нахил та експозиція земної поверхні компенсуються встановленням сонячних батарей під оптимальним кутом, що забезпечує максимальне надходження сонячних променів на поверхню останніх[4].

Серед економічно-географічних чинників розвитку використання сонячної енергії слід виділити такі:

•            віддаленість від ліній електропередач. Використання сонячних батарей для електропостачання у віддалених місцевостях стає економічно доцільним через відсутність інших джерел електричної енергії;
•            наявність вільних площ для встановлення сонячних батарей на дахах або стінах будівель. Це дозволяє використовувати незайняті поверхні та економити на зайнятті земельних ділянок;
•            підтримка місцевих та державних органів влади, що дозволяє економити на витратах, або навіть фінансувати встановлення об’єктів сонячної енергетики із місцевих або державних бюджетів.

 

2.2. Методи розрахунку геліоресурсів

Сонце – це постійно діючий розпечений реактор, який перетворює масу в енергію, загальна норма –4,5 млн. т за секунду за рахунок поєднання двох ядер водню (протонів) для утворення гелію. Загальна потужність 4·1023 кВт. Земля отримує близько 1359 Вт/м2. Цей показник відомий як сонячна стала.

Сонячна радіація – це невичерпне відновлюване джерело екологічно чистої енергії. Розподіл глобального потоку сонячної радіації на поверхні земної кулі нерівномірний. Кількість сонячної енергії, яка надходить за рік на 1 м² поверхні Землі, змінюється приблизно від 3000 МДж/м² на півночі до 8000 МДж/м² в пустелях[5].

Оцінки геліоенергетичних ресурсів даються від найбільш загальних теоретичних, що спираються тільки на природні показники, до досить конкретних та практичних, що враховують особливості використання енергії геліоенергетичними установками різного типу.

Відповідно до цього існує два типи методик оцінки геліоенергетичних ресурсів. Перший тип використовується для створення сонячних кадастрів територій. Такі методики спрямовані на детальну характеристику ресурсів, опис їх просторово-часового розподілу. Вони враховують переважно тільки метеорологічні та актинометричні показники, що спостерігаються на метеорологічних та актинометричних станціях досліджуваних територій, та не враховують показники функціонування геліоенергетичних установок [5].

У рамках даного типу методик у більшості робіт щодо сонячної енергетики та оцінки надходження сонячної енергії на установку чи на визначену територію подаються загальні залежності прямої радіації, що надходить на верхню межу атмосфери, від висоти Сонця та відстані між Землею і Сонцем, що розроблені у базових працях з актинометрії [6,7].

Другий тип методик оцінки геліоенергетичних ресурсів спрямований на розрахунок виробітку енергії конкретними або найбільш характерними конструкціями сонячних установок. Такий тип методик базується на використанні методик першого типу та додаванні до них показників функціонування відповідних установок. Для сонячних батарей такими показниками є: площина фотоелектричних панелей, коефіцієнт корисної дії, коефіцієнт, що відображає частку ефективної поверхні.

Далі наведено оцінку геліоенергетичних ресурсів для прямого отримання електричної енергії за допомогою сонячних батарей (фо­тоелектричних панелей), користуючись методикою другого типу.

Вироблення енергії фотоелектричними системами знаходиться у прямій залежності від таких чинників:

• сумарної сонячної радіації, що надходить на їх поверхню;

• коефіцієнта корисної дії сонячних батарей;

• площини поверхні фотоелектричних панелей;

• частки ефективної поверхні останніх.

Місячний виробіток енергії фотоелектричними системами можна розрахувати за допомогою рівняння:

Е = Q_П · S_ФП · K_ККД · K_ЕП ,

де Е — місячний виробіток енергії фотоелектричними системами (кВт · год);

Q_П — місячне надходження сумарної сонячної радіації на поверх­ню фотоелектричних панелей площиною 1 м²;

S_ФП — площина фотоелектричних панелей;

К_ККД — коефіцієнт корисної дії сонячних батарей;

К_ЕП — коефіцієнт, що відображає частку ефективної поверхні.

Останні три показники для конкретного типу установки є по­стійними величинами, а динаміка виробітку енергії визначається безпосередньо надходженням сонячної радіації. У нашому випадку характерні значення останніх трьох параметрів такі. Площина фо­тоелектричних панелей приймається за 1 м²; такій площині відпо­відає встановлена потужність сонячних батарей 100 Вт. Коефіцієнт ефективної поверхні характеризує частку поверхні фотоелектрич­них панелей, яка безпосередньо здатна приймати сонячне випро­мінювання, тобто це поверхня сонячних елементів. Найбільш ха­рактерним для фотоелектричних панелей є коефіцієнт 0,72. Коефіцієнт корисної дії для більшості сонячних батарей (з аморф­ного кремнію) при практичному використанні складає 10-15 % .

Таким чином, місячний виробіток енергії фотоелектричними системами у спрощеному вигляді можна обчислити за допомогою такої формули:

Е = (0,0720,11) · Q_П ,

Оптимальний кут встановлення (Додаток В) сонячних батарей дозволяє забезпечити максимальне надходження сонячної енергії на фотоелектричні панелі протягом року.

Для території України на основі багаторічних даних актинометричних спостережень було виконано розрахунки місячних та річних сум прямої, розсіяної та сумарної радіації, що надходять на поверхні, які нахилені під оптимальним кутом до поверхні горизонту та мають південну орієнтацію. За останніми було розраховано місячний та річний виробіток енергії  фотоелектричними системами, що складаються з сонячних панелей площиною 1 м² та встановленою потужністю 100 Вт, мають південну орієнтацію та нахилені до поверхні горизонту під оптимальним кутом, що є незмінним протягом року (Додаток Г).

Враховуючи що в умовах Волині буває 80 безхмарних днів протягом року. Днів зі змінною хмарністю – 100. Часто бувають дні, коли хмарність з’являється в другій половині дня. 35 – 40 днів бувають цілком дощові, зі снігопадом, туманами. А також дані наведені в додатку Г і технічні характеристики сонячної батареї наведені в додатку Д, можна оцінити кількість енергії отриманої за рік при використанні такої батареї[7].

Е = 0,11· Q_П , врахувавши що Q_П =1112 кВт год/м² і площу батареї^, отримаємо, що Е=236 кВт год з одної сонячної батареї.

Звичайно за рахунок того що собівартість батарей висока, то термін її окупності становить близько 40 років, що відповідає приблизно терміну використання батареї. Але із стрімким розвитком виробництва та використанням нових технологій прогнозують, що собівіартість  стане набагато меншою.

 

2.3. Економічне обгрунтування застосування сонячних колекторів

Враховуючи те, що сонячні батареї  на даний час коштують досить дорого,  ми вирішили зробити сонячний колетор власноруч.

Для цього замість мідних труб ми використали звичайний резиновий водополивний шланг, який намотали равликом і закріпили у деревяному коробі з ізолюючою підкладкою з пінопласту. Короб зверху покрили склом і всю цю систему приєднали до резервуара з водою. Враховуючи конструкцію даху будівлі, ми помістили наш колектор на злам даху, а резервуар на горище таким чином, щоб вода в ситемі могла вільно циркулювати.

Виходячи з практичного досвіду маємо дані, що шланг зовнішнім діаметром 25мм довжиною приблизно 13-14 метрів при температурі зовнішнього повітря 20⁰С здатний нагріти до 40-50 л гарячої води з температурою 40-50⁰С.

Кращий ефект можна отримати, використовуючи вакумні колетори Eko system, (технічні характеристики і вартість наведені в  додатку Ж).

Використовуючи характеристики вакумного колектора Eko system, підрахуємо ефективність застосування такого колектора

Нехай у домогосподарстві встановлений газовий котел, який споживає на теплопостачання в середньому 2800 м³ природного газу на рік. При цьому газ оплачується за тарифом 1,89 грн/м³ і річні фінансові витрати на газ становлять 5292 грн. При цьому газовий котел за рік виробляє кВт * годин теплової енергії, де: 9.722 кВт.год/м³ - питома теплотворна здатність газу; 0,9 - коефіцієнт корисної дії котла; 2800 м³/ рік - річне споживання газу при роботі котла без геліоколектора.

Розрахуємо економічний ефект від підключення до системи теплопостачання додаткових сонячних колекторів, які частково заміщають газовий котел. Нехай, вирішивши отримати мінімальний термін окупності, вибрали мінімальний і відповідно найбільш дешевий вакуумний колектор EKO 15 загальною вартістю 7500 грн (500 доларів), усереднена теплова продуктивність якого за рік становить 1600 кВт * годин. Таким чином, ми замістили 1600 / 24500 = 6,5 % тепла, одержуваного від газового котла, теплом, одержуваним від геліоколектора, тобто скоротили споживання газу на 1600 / (9.722 * 0,9) = 183м³/рік .

Витрата газу після підключення геліоколектора складе 2800-183= 2617 м³/рік, а його вартість 2617 * 1,89 = 4946 грн. Річна економія грошових коштів від підключення геліоколектора складе 5292 – 4946= 346 грн. При такому енергетичному ефекті підключення геліоколектора окупиться через 7500/346 = 21,7 років, що перевищує термін служби самого геліоколектора.

Подивимося, що станеться, якщо підключити до системи теплопостачання більш дорогий і продуктивніший  трубний геліоколектор EKO 30, вартість якого становить 13500 грн, а усереднене річне вироблення тепла - 3200 кВт * год. У цьому випадку буде заміщено 3200 / 24500 = 13% тепла газового котла. За рахунок цього споживання газу скоротиться на 3200 / (9.722 * 0,9) = 365 м³/рік і складе 2800 - 365 = 2435 м³/рік. Тепер вартість  газу буде як  для тарифу 2500 м³ і становитиме 1,09, тобто після підключення геліоколектора складе 2435 * 1,09 = 2654 грн., А її економія 5292-2654 = 2638 грн. При такому економічному ефекті термін окупності підключення геліоколектора складе вже 13500 / 690 = 5,11 років.

Тобто, при використанні колектора ми економимо певну  частину газу, термін окупності суттєво зменшується, коли господарство використовує більше на 250-350 м³/рік від норми 2500 м³ або 6000 м³ , тобто при переході з одного тарифу на газ  на іншу тарифну групу споживачів, відповідно і вартість 1 м³ газу значно зменшується , що і приводить до швидкої окупності геліоколектора. Термін окупності збільшується, коли використання газу лежить в межах 3000-6000 м³ і понад 7000 м³.

Для того, щоб підключення геліоколектора було економічно вигідним і ефективним, необхідно вибирати геліоколектор з річним виробленням тепла більшим, ніж різниця між річним виробленням тепла котлом без геліоколектора і теплом, що виділяється при спалюванні 2500(6000) м³ газу, з урахуванням ціна-якість (Додаток З).

Використання колекторів вигідне на тих обєктах, які не мають мережі власного теплопостачання (Додаток І)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Висновки. 

Ще в давнину люди почали замислюватися про можливість використання сонячної енергії.

Одним з найперспективніших напрямків енергозабезпечення на сьогодні є сонячна енергетика за рахунок того, що сонячне випромінювання надходить в достатній кількості майже на усю поверню Землі.

Людина може використовувати енергію сонця  для забезпечення своїх потреб уже сьогодні.

Сонце постійно забезпечує близько 1кВт енергії на кожний квадратний метр площі. Досягнення технології вже зараз дають змогу використовувати це джерело для вироблення електроенергії, вартість якої наближається до традиційної.

На Волині практично використовувати сонячну енергію, перетворюючи її в сонячних колекторах та сонячних батареях для одержання теплої води і електроенергії відповідно.

Кількість виробленої енергії залежить від тривалості світлового дня. Енергія, вироблена в найдовший день, більша в 4,5 рази за енергію, вироблену в найкоротший день.

Залежно від погодних умов необхідно, враховувати зміну потужності сонячної батареї, кута нахилу до горизонту і напрямку її встановлення, потрібно враховувати при проектуванні і використанні установок, які перетворюють світлову енергію в електричну. Оскільки установка виробляє енергію тільки в світлий період доби, то її можна використовувати для зарядження акумуляторів, нагрівання води в резервуарах, щоб потім використовувати збережену ними енергію в темну пору доби.

Використання плоских та вакуумних колекторів є економічно вигіднішим в порівнянні з сонячними батареями за рахунок собівартості та окупності.

 

 

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1.   Мхитарян М. Энергетика нетрадиционных и возобновляемых источников. Опыт и перспективы./М. Михтарян.- Наукова думка, 1999.-345с.
2. Лучков Б.. Солнечный дом — солнечный город // «Наука и жизнь» — № 2, 2002.
3. Сердюк В. В., Чемересюк Г.Г., Терек М.. Фотоэлектрические процессы в полупроводниках. – Киев – Одесса: В. ш., 1982. – 150 с.
4.   Клімат України / Під ред. В. М. Ліпінського, В. А. Дячука. — К.: Вид-во Раєвського, 2003. — 344 с.
5.   Камен Д.. Чистая энергетика // В мире науки — № 1, 2007.
6.   Кондратьев К. Я. Актинометрия./ Я. Кондратьев.  — Л.: Гидрометеоиздат, 1965. — 692
7.   Альтернативна енергетика України. Матеріали для уроків, факультативів, МАН. / Величко С. А. , Третьяков О. С. — Х. : Вид. група «Основа», 2010. — 128 c.

 

ІНТЕРНЕТ-РЕСУРСИ

8. http://www.powerinfo.ru/sun-power.php
9. http://solar.pp.ua/fotoelektrichni-elementy.html
10. http://www.energy-bio.ru/pfoto1.htm
11. www.segodnya.ua/ news/785269.html
12. http://www.znaj.ru/html/8103_3.html
13. http://itpuls.com/art_el/art_2.html
14. http://news.uaclub.net/14_429665.html

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ДОДАТКИ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Додаток А

20 найбільших сонячних (фотоелектричних) електростанцій у світі

 

№	Назва	Країна	Потужність,МВт		Річне виробництво енергії, ГВт · год		Рік введення в експлуатацію
1	Olmedilla Photovoltaic Park	Іспанія	60		85		2008
2	Strasskirchen Solar Park	Німеччина	54		57		2009
3	Lieberose Photovoltaic Park	Німеччина	53		53		2009
4	Puertollano Photovoltaic Park	Іспанія	50		—		2008
5	Moura photovoltaic power station	Портуґалія	46	93		2008
6	Kothen Solar Park	Німеччина	45	—		2009
7	Finsterwalde Solar Park	Німеччина	42	—		2009
8	Waldpolenz Solar Park	Німеччина	40	40		2008
9	Planta Solar La Magascona & La Magasquila	Іспанія	34,5	—		—
10	Arnedo Solar Plant	Іспанія	34	—		2008
11	Planta Solar Dulcinea	Іспанія	31,8	—		2009
12	Merida/Don Alvaro Solar Park	Іспанія	30	—		2008
13	Planta Solar Ose de la Vega	Іспанія	30	—		—
14	Planta Fotovoltaico Casas de Los Pinos	Іспанія	28	—		—
15	Planta Solar Fuente Alamo	Іспанія	26	44		—
16	DeSoto Next Generation Solar Energy Center	США	25	42		2009
17	SinAn power plant	Корея	24	33		2008
18	Monalto di Castro PV power plant	Італія	24	40		2009
19	Arnprior Solar Generating Station	Канада	23,4	—		—
20	Sarnia PV power plat	Канада	23,4	—		—

 

Додаток Б

 

 

Фотоелектричний елемент

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Додаток В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Додаток Г

 

Додаток Д

 

 

 

 

 

Сонячна батарея TDC Solar та її характеристики

 

 

 

 

 

 

Характеристики            TDC Solar
Тип панелі	Моно/Полікристал
Макс. потужність, Вт	250/300
Ефективність %	15,4
Розміри, мм	1956*992
Вага, кг	25
Країна виробник	Китай
Ціна, $ за 1 Вт	0,90

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Додаток Ж

 

 

Вакуумні колектори Eko system

 

 

 

 

 

Основні параметри вакуумних колекторів	EKO 30	EKO 24	EKO20	EKO 15
Довжина вакуумних труб, мм	1800	1800	1800	1800
Площа колектора, м2	4,5	3,6	3,05	2,75
Матеріал внутрішнього теплообмінника	мідь	мідь	мідь	мідь
Матеріал зовнішнього покриття	алюміній	алюміній	алюміній	алюміній
Вакуумні труби	Heat Pipe	Heat Pipe	Heat Pipe	Heat Piре
Діаметр конденсатора, мм	24	24	24	24
Кількість труб, шт	30	24	20	15
Нагрів гарячої води в добу, л	300	240	200	150
Термін використання не менше, років	15	15	15	15
Ціна, дол. США	900	750	600	500

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Додаток З

 

Cонячний колектори Kospel (Польща).

 

 

Основні параметри плоского колектора	Kospel KSH-2,0
Габаритні разміри, мм	2119х1072х90
Площа поглинаючої панелі, м2	2,00
Ефективність абсорбера	95%
Мін. продуктивність, кВт*год/м2/рік	525
Товщина ізоляції, мм	45
Діаметр патрубків, мм	18
Вага колектора (без теплоносія), кг	36
Термін використання не менше, років	50
Ціна, Євро	350,00

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Додаток І

 

У школі смт. Колки Маневицького району Волинської області учні та вчителі зможуть приймати теплий душ завдяки саморобному сонячному колектору.

Ініціатор встановлення цього колектору, Громадська організація «Екоклуб», пропонує усім зацікавленим ефективно використовувати сонячну енергію, використовуючи доступну кожному технологію, яку поширюють природоохоронці, інформує прес-секретар «Екоклубу» Святослав Клічук.

Сонячний колектор площею 4 м.кв., встановлений на даху колківської школи в рамках проекту «Увімкни сонце – живи комфортно», забезпечує гарячу воду для душових кімнат шкільного спортзалу. Минулої осені сонячну установку власноруч збудували учасники тренінгу зі встановлення та використання сонячних колекторів під керівництвом досвідченого конструктора проекту Віталія Шрамка. Завдяки цій установці учні та вчителі матимуть теплу воду 7 - 8 місяців на рік. Подібну систему він встановив і у своїй приватній садибі в селі Копилля.

- Такий колектор може зробити кожен, - розповідає майстер Віталій Шрамко. – Крім цієї школи, подібні установки ми виготовили для дитячого садочку у Маневичах, нещодавно для Стрийського аграрного коледжу, а лише півтора роки тому я змайстрував свій перший сонячний колектор батькам у приватну садибу. Взимку він може підігріти воду до 40 градусів у сонячний день, а в теплу пору ми взагалі не витрачаємо електроенергію для нагріву води.

- Ми навчаємо людей застосовувати прості та доступні технології використання сонячної енергії, такі як: сонячний колектор для нагріву води, сонячна сушарка, сонячна система опалення тощо, - розповідає керівник проекту від ГО «Екоклуб» Оксана Майборода. - Такі установки можна виготовити самостійно, це не потребує спеціальних знань, коштує дешево, допомагає економити енергоресурси та гроші, а також зменшує негативний вплив на довкілля. У Європі визнано, що відновлювальні технології, в яких застосовується сонячний нагрів, є найбільш ефективними.

Маневицька районна влада відгукнулася на ініціативу Екоклубу впроваджувати сонячні технології. Голова Маневицької районної адміністрації Микола Миронюк запропонував виготовити сонячний колектор для школи в смт. Колки, на що її директор Віталій Котиленець одразу погодився.

Досі школа не мала фінансової спроможності забезпечити гарячу воду, тому душові кімнати спортзалу були довгий час закриті. Тепер школа має безкоштовну гарячу воду від сонця, залишилось лише облаштувати душові кімнати, які через довгий час «простою» потребують ремонту.

Екоклубівці впевнені, що практична демонстрація сонячних колекторів дозволяє людям пересвідчитися у ефективності та доцільності застосування такої технології. Вони безкоштовно надають усім зацікавленим інструкції та рекомендації зі встановлення сонячних колекторів.

Презентація сонячного колектору у Колках організована в рамках проекту «Увімкни сонце – живи комфортно», що реалізується в Україні та Грузії з 2011 року за сприяння Міжнародної організації «Жінки в Європі за спільне майбутнє» та фінансової підтримки Європейського Союзу.