Конкурс учебно-исследовательских проектов школьников «Эврика»
Малой академии наук учащихся Кубани
Направление: Технические науки
Название работы:
«Возможности использования солнечных батарей в Анапе»
Автор: Пугачёв Александр Сергеевич,
ученик 11Б класса МБОУ СОШ №5
Место выполнения работы: МБОУ СОШ №5
город-курорт Анапа, Краснодарский край
Научный руководитель: Козина Ирина Юрьевна,
учитель физики МБОУ СОШ №5
2010 г.
2010 г.
Содержание:
Введение
Глава I Солнечные батареи как альтернативный источник энергии
Глава II Климатические особенности города –курорта Анапа
Глава III Возможность строительства солнечной электростанции на территории будущей игровой зоны в станице
Благовещенская.
Заключение
Литература
Введение
Актуальность: Считается, что в Анапе больше всего солнечных дней в году, чем в любом другом городе России. Однако, когда в Анапе начинается курортный сезон, наблюдается периодические перебои в электроснабжении города в связи с усиленным энергопотреблением. Поэтому возникает вопрос о необходимости использования альтернативных источников энергии в нашем городе, в частности, таких как солнечные батареи.
Цель исследовании : исследовать возможность получения электроэнергии с помощью солнечных батарей в промышленных масштабах и передачи полученной электроэнергии на дальние расстояние при помощи ЛЭП.
Задачи:
Изучить
- Климатические особенности г.-к. Анапа;
- Проанализировать состояние энергетической системы города в период курортного сезона;
- Изучить новейшие достижения в области солнечной энергетики;
- Изучить статистику использования солнечных батарей в разных странах;
- Исследовать возможность строительства солнечной электростанции на территории, запланированной для
строительства игорной зоны, перенесенной из «Азов-Сити»;
- Разработать проект солнечной электростанции на территории ст. Благовещенская и изучить возможность
передачи электроэнергии для удовлетворения потребностей Анапского района.
- Сделать вывод о целесообразности строительства солнечной электростанции в ст. Благовещенской
Гипотеза: В связи с тем, что Анапа - наиболее благоприятная территория для установки солнечных батарей, с одной стороны, и участившимися случаями перебоев в энергоснабжении города, целесообразно строительство электростанции, использующей солнечную энергию для удовлетворения потребности в электроэнергии Анапского района.
Объект исследования: использование солнечных батарей как альтернативных источников энергии
Предмет исследования: возможность строительства солнечной электростанции для производства и передачи электроэнергии по всему Анапскому району.
Глава I Солнечные батареи как альтернативный источник энергии
Предпосылки появления солнечных батарей
Начальной точкой развития солнечных батарей является 1839 год, когда был открыт фотогальванический эффект. Это открытие было сделано Александром Эдмоном Беккерелем.
Следующим этапом в истории солнечных батарей стала деятельность Чарльза Фриттса. Через сорок четыре года после открытия Беккереля, в 1883 году, Фриттс сконструировал первый модуль с использованием солнечной энергии. Основой изобретения послужил селен, покрытый тонким слоем золота. Исследователь пришёл к выводу, что данное сочетание элементов позволяет, пусть в минимальной степени (не более одного процента), преобразовывать солнечную энергию в электричество.
Разумеется, до создания современных солнечных батарей было ещё далеко. В течение последующих десятилетий это направление научных исследований развивалось нестабильно.
Периоды интенсивной деятельности сменялись резкими спадами. Многие склонны считать, что история солнечных батарей ведёт своё начало с деятельности Альберта Эйнштейна.
В частности, великий учёный получил в 1921 году Нобелевскую премию именно за изучение особенностей внешнего фотоэффекта, а не за обоснование знаменитой теории относительности.
В 30-ых годах советские физики получили электрический ток, используя фотоэффект. Разумеется, КПД тогда не впечатлял. Он не превышал один процент, но и это являлось серьёзным научным шагом.
Появление и развитие солнечных батарей
Уже в 1954 году группа американских учёных добилась КПД, достигающего шести процентов. В этом году свет увидела первая кремниевая солнечная батарея. В1958 году солнечная батарея стала основным источником получения электроэнергии на космических аппаратах, как на советских, так и на американских.
Но приборы продолжали совершенствовать. В семидесятых годах КПД составлял десять процентов. Такие показатели были вполне приемлемыми для использования альтернативных устройств получения энергии на космических аппаратах, но использовать солнечные батареи на Земле пока не имело смысла. Да и стоили солнечные батареи весьма дорого. Это объяснялось дороговизной материала.
Например, цена одного килограмма кремния составляла около ста долларов. Только в девяностых годах наметились определённые позитивные сдвиги в развитии альтернативных источников энергии и солнечных батарей в частности. Так, событием в мире науки стал успех американских учёных. Им удалось существенно повысить эффективность солнечных батарей, создав, особый, цветосенсибилизированный тип. В их основе – применение фотосенсибилизированных мезопористых оксидных проводников. Такие усовершенствованные батареи выгодно отличаются от своих предшественников. Они более экономичны, производить их проще и дешевле. Их массовому распространению мешает только один фактор: низкий уровень эффективности преобразования. Успешное и стабильное производство было налажено только в конце восьмидесятых.
Сегодня выпускаемые солнечные батареи имеют КПД, немногим превышающий двадцать процентов. В то же время в 1989 году учёные создали устройство, способное работать с КПД более 30 процентов. КПД солнечных батарей постоянно растёт. Недавно немецкие учёные разработали самую эффективную на сегодняшний день модель солнечных батарей: их КПД равен 41 проценту. До этого рекордом считалось достижение отметки в 40 процентов. Побить установленный рекорд позволило сокращение отделителя примесей, который располагается в переходных зонах между материалами, образующими солнечный элемент. В качестве главного элемента используется диоксид кремния.
Принцип работы
Термин «солнечная батарея» можно понимать по-разному. Обычно так называют панели фотоэлектрических преобразователей, которые способны преобразовывать солнечное излучение в электроэнергию.
Принцип их работы во многом сходен с организацией транзистора. Как правило, материалом для этого изделия является полупроводниковый кремний. Если есть потребность в повышенной мощности устройства, то применяют батареи из кристаллического кремния.
В этом случае можно говорить о двух типах. К первому относятся батареи из монокристаллического кремния. Внешне этот материал можно отличить благодаря равномерному чёрно-серому цвету поверхности. Второй тип представлен современным поколением элементов, сделанных из более дешёвого поликристаллического кремния. Изготовление производится методом литья. Выглядит материал как синяя поверхность с неравномерным переливом. Кроме того, кремний дополняется небольшим количеством мышьяка и бора.
Конструкция простейшего солнечного источника тока такова: два сложенных тонких листа соединяется таким образом, чтобы сохранялся p-n-переход. Один из используемых листов содержит примесные атомы бора, другой – примесные атомы мышьяка. Одна пластина (наружная) характеризуется переизбытком электронов, а внутренняя – их недостаточным количеством.
В результате действия солнечных лучей происходит освещение элемента и оба слоя взаимодействуют как электроды обыкновенной батареи – возникает ЭДС. Луч как бы «будит» электроны, которые начинают перемещаться из одной пластины в другую. А выработка солнечного света не связана с химическими реакциями. Именно поэтому такая солнечная батарея может прослужить очень долго.
Фактически ограничений срока службы вообще не существует. Впрочем, устройство батарей может и отличаться некоторыми деталями. Например, тонкослойные ячейки могут содержать не только кремний, но и галлий, арсенид, кадмий, теллурид, медь, селен и многое другое.
Такие модели солнечных батарей ещё не изучены должным образом. Существуют некоторые трудности и в изготовлении указанных батарей. В то же время такие усовершенствованные батареи обладают некоторыми дополнительными качествами. Например, модели, в которых используется галлий и арсенид, способны давать больший КПД и более устойчивы к температурным перепадам.
Преимущества использования
Развитие данного вида альтернативного способа получения энергии обусловлено, в первую очередь, осознанием многочисленных его преимуществ, потому как использование солнечных батарей простое и надежное.
Так, солнечные батареи не нуждаются в каком-либо топливе и способны работать на внутренних ресурсах. Владельцу не нужно волноваться о сохранности прибора и постоянно поддерживать его сохранность. Солнечные батареи практически не боятся механического износа. Да и обслуживание им никакое не нужно.
В лучшем случае пользователь может протереть пыль на поверхности батареи. Также большое удобство представляет факт отсутствия промежуточных фаз преобразования получаемой энергии. Кроме того, в случае приобретения солнечной батареи проблема с получением энергии будет решена надолго.
Обычно данные устройства способны прослужить не менее двадцати пяти лет. Не стоит забывать и об экологическом факторе. Применяемые технологии и материалы полностью соответствуют самым высоким экологическим нормам, солнечные батареи не производят выбросов вредных веществ в окружающую среду и абсолютно безопасны. Разумеется, не нужно забывать и о том, что применение альтернативных источников получения энергии вообще и использование солнечных батарей в частности позволяет сэкономить немалые финансовые средства.
Ведь получение традиционных источников энергии сегодня становится всё более дорогим удовольствием и серьёзно бьёт как по карману простых потребителей, так и по бюджетам многих государств. В то же время солнечная энергия имеет ещё одно достаточно важное преимущество. В отличие от традиционных источников, этот тип ресурсов практически неиссякаем.
Запасы нефти, угля и газа очень скоро закончатся, а Солнце, как уверяют учёные, будет светить ещё очень, очень долго.
Глава II. Климатические особенности города-курорта Анапа
Анапу по праву считают самым солнечным городом России, ведь здесь насчитывается в среднем 300 солнечных дней в году. Анапа находится в юго-западной части Краснодарского края РФ, на берегу Черного моря. Анапа расположена в 1500 км. от Москвы, в 170 км. от Краснодара, в 360 км. от Сочи на стыке Большого Кавказа и Таманского полуострова. Летний зной смягчается прохладным ветром с моря.
Песчаный пляж плавной дугой окаймляет море, образуя удобную и красивую бухту. Море в районе Анапы со знаменитым песчаным пляжем считается самым экологически чистым в Черноморском бассейне. Здесь оно мелководное, хорошо прогревается. Средняя температура воды в купальный сезон, который длится с мая по сентябрь, 22-25 °C. Климат Анапы похож на средиземноморский: умеренно-теплый, с мягкой и влажной зимой и жарким летом. Он поистине целебный, с обилием солнечных дней и продолжительным солнечным сиянием. Воздух в береговой зоне насыщен аэрозолями морского происхождения.
Среднегодовая температура 11-12 °С. Среднегодовое количество осадков около 450 мм. Осадки выпадают в основном в виде дождя. Преобладающее направление ветров в годовом разрезе северо-восточное. Весна сравнительно короткая. В марте уже не наблюдается отрицательных температур. С середины апреля устанавливается теплая погода. Летний период длится около 200 дней. Среднесуточная температура самого теплого месяца августа 25 °С, максимум достигает 40 °С. Осадки имеют характер кратковременных ливней. Летнюю жару несколько умеряют морские бризы.
Осень характеризуется постепенным понижением температур и увеличением облачности. В начале осени наблюдается теплая малооблачная погода. Первые заморозки появляются только с середины ноября. Купальный сезон длится с середины мая по октябрь. Температура воды на поверхности моря в июне 19 °С, повышается к августу до 24 °С и снижается в сентябре до 20 °С. Климатические условия курорта благоприятны для лечения и отдыха в течение всего года. Все вышеперечисленное делает наш город очень привлекательным для отдыхающих, которых с каждым годом все больше и больше. Летом 2010 население города увеличилось в 6 раз, в результате увеличилась нагрузка на линии электропередач. По нашим наблюдениям,в самый пик курортного сезона из-за перегрузок электроэнергия отключалась 2-3 раза в неделю.
Глава III. Возможность строительства солнечной электростанции на территории будущей игровой зоны в станице Благовещенская
Так как в Анапе в период курортного сезона происходят частые перебои в подаче электроэнергии, давно назрела необходимость поиска пути выхода из сложившейся ситуации. И ведь проблема нехватки электроэнергии встречается по всему Краснодарскому краю. Как известно, на территории ст. Благовещенской планируют строительство игорной зоны. Планируемая территория определяется площадью в 7,8 млн. квадратных метров. Администрация Краснодарского края планирует вложить в развитие инфраструктуры игорной зоны более 2 млрд. рублей. Так стоит ли вкладывать деньги в игорную зону, если перед нами стоят глобальные экологические и социальные проблемы?
Известно, что электроэнергия, вырабатываемая солнечной электростанцией, поможет решить проблему нехватки электроэнергии не только в Анапе, но и по всей территории Кубани.
На территории игорной зоны в ст. Благовещенской можно построить электростанцию, содержащую до 1000 солнечных батарей площадью 1000 квадратных метров, при этом необходимо будет затратить на их покупку 78 млн. рублей. Следовательно, на постройку солнечной электростанции потребуется не более 1 млрд. рублей. Поскольку мощность одной промышленной солнечной батареи составляет в среднем 50 кВт, то мощность нашей солнечной электростанции составит порядка 10000 кВт, то есть в солнечный день данная электростанция может бесперебойно обеспечивать электроэнергией весь Анапский район.
Тем самым, решая проблему с перебоями в электроснабжении города и района, можно решить и множество других социальных и экономических проблем. Например, появятся рабочие места, на которые будут требоваться высококвалифицированные специалисты-энергетики. Ведь именно этим мотивируют необходимость строительства игорной зоны на нашей земле, но мы бы не хотели, чтобы наши потомки, как говорится «крутили рулетку». И самое главное - солнечные батареи позволят сохранить первозданную красоту нашей природы, ведь солнечные батареи - самый экологически чистый источник энергии.
Заключение
В данной работе мы проанализировали возможность строительства солнечной электростанции на территории станицы Благовещенская, на которой предполагается размещение игорной зоны. Мы пришли к выводу, что на площади предполагаемой застройки возможно размещение солнечной электростанции мощностью 10000 кВт, которая сможет обеспечить электроэнергией весь Анапский район. Исходя из бюджета, запланированного только на строительство необходимой инфраструктуры будущей игорной зоны, можно сделать вывод, что этих денег с лихвой хватит на закупку и установку солнечных батарей, а также на строительство необходимой инфраструктуры. Все результаты оправдали наши ожидания, и можно с уверенностью говорить о том, что на данный момент именно солнечная батарея является самой экологически чистой. Ее использование может быть круглогодично в городе Анапа.
Энергия солнца должна быть использована разумно. Солнечные электростанции следует строить в районах, расположенных как можно ближе к экватору, с большим количеством солнечных дней. В настоящее время солнечные электростанции экономически целесообразно использовать для выработки электроэнергии.
К сожалению, сегодня наше общество целиком и полностью занято производством и потреблением всевозможных благ. Поэтому вопрос строительства индустрии развлечений больше занимает общественное сознание, чем надвигающаяся экологическая катастрофа. Мы призываем как можно скорее поставить вопрос о использовании солнечной энергии в нашем регионе, поскольку где как не в Анапе это возможно, для того чтоб сохранить окружающую среду для будущих поколений.
Список использованной литературы
1. В.П. Бурдаков Электроэнергия из космоса М: Энергоатомиздат 1991
2. Дверняков В.С. Солнце - жизнь, энергия. Киев: Наукова думка 1986
3. Колтун М.М. Солнце и человечество М: Наука 1981
4. Н.В. Харченко Индивидуальные солнечные установки М. Энергоатомиздат 1991г.
5. Р.Р. Авезов, А.Ю. Орлов Солнечные системы отопления и горячего водоснабжения Ташкент: Фан 1988 г
6. Солнечная энергетика/ Ершов А. А. - М.: Знание, 1974. - 65 с.
7. Трубин П.Н. «В царстве физики», М.: Амфора, 2004 - 239с
8. Энциклопедический словарь юного физика/ Сост. В.А. Чуянов. – М.: Педагогика, 1984. – 352 с., ил.
9. Энциклопедия для детей. Том 16. Физика. Ч. 2. Электричество и магнетизм. Термодинамика и квантовая
механика. Физика ядра и элементарных частиц/ Глав. Ред. В.А. Володин. - М.: Аванта+, 2001. - 432 с.: ил.