Солнце, воздух и Земля-наши лучшие друзья!

Республиканская конференция-фестиваль творчества обучающихся «EXCELSIOR - 2017»

Солнце, воздух и Земля - наши лучшие друзья!!!

Сведения об авторе:

Терентьев Юрий Александрович , МБОУ «Траковская СОШ» Чувашская Республика с.Красноармейское, 11 класс.

Секция: физика и астрономия

Научный руководитель: Спасова Валентина Петровна, учитель высшей квалификационной категории, заслуженный учитель Чувашской Республики, отличник народного просвещения Российской Федерации, обладатель грантов Президентов Российской Федерации и Чувашской Республики МБОУ "Траковская СОШ" с.Красноармейское.

Введение

Одним из основных факторов экономики любой страны, являются энергоресурсы. Их наличие, виды, доступ к ним значительно влияют на экономическое развитие страны в целом. Наша страна обладает колоссальными запасами различных энергоносителей. Но постоянное развитие промышленности, увеличение роста потребления энергоносителей делает эти запасы не бесконечными. Другим фактором, влияющим на развитие энергетики, является экология. Казалось бы, имеется дешевая на сегодняшний день атомная и тепловая энергетика, но аварии на атомных станциях и загрязнение атмосферы ТЭС, пагубно влияют на окружающую среду. Именно поэтому сейчас, как никогда остро, встал вопрос: что  ждет человечество - энергетический голод или изобилие? В настоящее время мировой энергетический рынок перенасыщен. Это ведёт к снижению цен на энергоносители на мировых рынках, что также влияет на экономику стран поставщиков нефти и газа. Однако по подсчётам учёных уже в 21 веке жителям Земли придётся столкнуться с проблемой энергоснабжения, т.к. традиционные виды энергоносителей исчерпают себя в большинстве районов мира.

Метод исследования:

• Анализ литературы.
• Расчет мощности по теоретическим формулам.
• Подведение итогов полученных результатов.

Гипотеза: предполагаю, что солнечная энергетика в Чувашии более выгодна чем ветровая.

Объект исследования :

ветровая и солнечная электростанция.

Предмет исследования :

мощность ветровой и солнечной

электростанции.

Цель работы : выявление и использование альтернативных источников энергии в с. Красноармейское и в Чувашии.

Задачи исследования

• Подобрать оборудование для ветровой и солнечной электростанции.
• Сделать финансовый расчёт ветровой и солнечной электростанции.
• Рассчитать годовую выработку электроэнергии ветровой и солнечной электростанции с учётом потерь.
• Познакомиться с новыми изобретениями в солнечной и ветровой энергетике, использование которых выгодно в Чувашии.
• Рассмотреть плюсы и минусы альтернативной энергетики.
• Выделить наиболее перспективные районы Чувашии для альтернативной энергетики.

Материалы и приборы которые нам понадобятся для конструкции ветровой и солнечной электростанции.

Характеристика ветрогенератора

Номинальная мощность

1,5кВт*ч

Max. мощность

2.5кВт*ч

Диаметр ротора

4 м

Мошность при 5 м/с

400Вт*ч

Стартовая скорость

2,5 м/с

Номинальная и максимальная скорость

9 м/с , 13м/с

Рабочая скорость ветра

2.5 м/с - 25 м/с

Max. скорость ветра

40 м/с

Зона охвата , U , I .

12,56 м ^2 , 48В , 50А.

Вес генератора с лопастями

98 кг

Регулирование скорости

Электромагнитный тормоз + отклонения

Метод торможения

Электродинамический тормоз

Шум

КПД генератора и редуктора

32 дб на 60 м при скорости ветра 8 м/с

85%

Цена: 52 000 рублей

Мачта для ветрогенератора

Комплектация (нагрузка ветрогенератора с лопастями до 140 кг):

1. Колено верхнее, шовная труба 108 мм, длина 3 метра, (с одной стороны универсальный фланец, с другой стороны переходник под хомут ветряка 89 мм) с ушками для тросов - 1 штука; 2. Колено универсальное, шовная труба 108 мм, длина 3 метра, (с двух сторон универсальный фланец), с ушками для тросов - 2 штуки; 3. Колено нижнее, шовная труба 108 мм, длина 3 метра, (с одной стороны универсальный фланец, с другой стороны фланец с петлями) - 2 штуки; 4. Опорная площадка, шовная труба 108 мм, длина 1 метр (с одной стороны фланец с петлями) - 1 штука; 5. Якоря фундаментные для тросов - 4 штуки 6. Комплект крепёжных изделий: • трос оцинкованный 6 мм -150 метров,  • болты - 15 штук ,  • гайки - 15 штук,  • шайбы - 30 штук,  • гроверы - 15 штук,  • талрепы - 8 штук,  • коуш - 16 штук,  • зажимы для тросов - 32 штуки

Цена : 32 500 рублей

Контроллер ветрогенератора «Русский ветер»

Номинальное напряжение на АКБ

от 12 до 48 В

Максимальное напряжение на АКБ

  75 В

Максимальное напряжение от ветрогенератора

150 В

Номин. мощность ветрогенератора по каждому входу ГЕН1 и ГЕН2

до 5 кВт

Максимальная мощность ветрогенератора ГЕН1

  6 кВт

Максимальная мощность ветрогенератора ГЕН2

6 кВт

Максимальный ток от ветрогенератора по каждому входу ГЕН1 и ГЕН2

80 А

Максимальный ток заряда

80 А

Дисплей

ЖК ( LCD)

Потребление тока контроллером в ждущем режиме

50 мА

Температура окружающей среды

от -20 до +55 С о

Влажность , КПД

35-85% ,98%

  Вес

  9,5 кг.

Цена 58 000 руб.

Солнечная панель ФСМ-300М

Монокристаллическая солнечная панель ФСМ-300 М

Мощность номинальная (Вт):

300

Напряжение номинальное ( В):

24

Напряжение холостого хода (В):

45,4

Напряжение при работе на нагрузку (В):

37,2

Ток при работе на нагрузку (А):

8,33

КПД солнечного элемента (%):

КПД солнечной батареи (%):

18,2

15,9

Солнечные элементы:

Grade A, монокристалл

Кол-во диодов (шт):

3

Коннекторы:

MC4

Класс защиты:

IP 65

Габаритные размеры ДхШхВ (мм):

1956х992х50

Вес (кг):

23,2

Цена: 28 00 0 рублей

Контроллер солнечной панели

Номинальное напряжение системы

12 / 24V 36V / 48V Авто Работа

Номинальный ток батареи

60A

Max.V напряжение разомкнутой цепи

250В

Диапазон напряжения

8-72 В

Входная мощность Max.P V

10 00 Вт 12 В

20 00 Вт 24 В

30 00 Вт 36 В

40 00 Вт 48 В

Самопоглощение

Заземление

1.4-2.2 Вт

Отрицательный

Окружающая температура

-25- + 55С

Хранение

Диапазон влажности , КПД

-30- + 85C

Приложение

10% -90% ,98%

IP20

Размер продукта

285x203x121mm

Монтаж

200x193mm

Вес нетто

5кг

Цена: 8550р.

Стойка для солнечных панелей

Трекер – это серводвигатель , который с помощью специального датчика следит за положением солнца и поворачивает панель.

Солнечный трекер «АТ-8000 Dual» - это двухкоордиатный солнечный трекер (ориентация трекера происходит в двух плоскостях: вверх-вниз: от -10° до 75°; влево-вправо: от -120° до 120°)

• Площадь трекера для солнечных панелей (S=76 м^2).
• Потребление- 0.8кВт*ч.
• Максимальная нагрузка ветра: 42 м/с.
• Трекер увеличивает вырабатываемую мощность солнечных панелей на 40-50%.
• Работает автономно.

Цена:508 200 рублей.

Инвертор

Максимальная мощность Вт.

20 000

Пиковая мощность, 5 сек. Вт.

25 000

Номинальная мощность Вт.

13 500

Аккумуляторное напряжение В.

48

Максимальная суммарная емкость АКБ А*ч.

4 800 (100% заряд 24 часа)

Минимальная суммарная ёмкость АКБ А*ч.

800

Возможность работы на 3 фазы

Да (необходимо 3 инвертора)

Выходное напряжение В.

220

Частота выходного напряжения Гц.

50 (±0.1%)

Форма сигнала на выходе

Чистый синус по ГОСТ 13109-97

Удалённо монитор\настройка

ПО под Windows и Андроид

Температурный диапазон

-25С ... +35С

Вес Кг.

55,3

Байпас,КПД

Встроенный,95%

Цена 210 000 рублей

Гелиевый аккумулятор DELTA GX 12-200

Емкость номинальная (А*час) :

200

Напряжение номинальное (В) :

12

Материал корпуса :

негорючий ABS пластик

Материал пластин :

свинец, диоксид свинца

Сепаратор ,КПД зарядки и разрядки

Стекловолокно,85%

Электролит :

Клеммы :

серная кислота в виде геля

Ток зарядный максимальный (А) :

медь, болт М8 (нерж.)

60

Напряжение заряда (В) буферн. :

13,4-13,7 при 20°С

Напряжение заряда (В) циклич. :

Саморазряд (не более) :

14,3-14,5 при 20°С

Срок службы (лет) :

3% в месяц при 20°С

10

Рабочий диапазон температур :

от -20°С до +60°С

Габаритные размеры ДхШхВ (мм) :

522х238х227

Вес (кг) :

65,0

16 900 рублей

Приборы и материалы

Компьютер нужен, чтобы следить за работой солнечных, батарей ветрогенираторов, аккумуляторов, инверторов, а также предупреждать о технических неполадках.

Цена полного комплекта 50 000 рублей.

Техническое здание будет служить центром управления ветровой и солнечной электростанции, а также защитой от непогоды всех приборов электростанции. Площадь планируемого здания 24 м^2. Цена до 500 000 рублей.

Двужильный медный кабель, сечение 120мм^2.

Цена за метр 340р.

Схема ветровой и солнечной электростанции

Соединение 13 солнечных панелей - параллельно.

Соединения ветрогенераторов по два - последовательно.

Соединение аккумуляторов - параллельно.

Финансовый расчет ветровой и солнечной электростанции

Наименование

Количество

Контролёр солнечных батарей

Цена за 1 шт.

Контролёр ветрогенератора

6шт.

Цена

3шт.

Ветрогенератор +мачта

8550р.

51 300р.

58000р.

Солнечные панели

12шт.

84500р.

174000р.

Аккумуляторы

78шт.

1014000р.

28000р.

42шт.

Транспортные расходы

Наём рабочих

2184000р.

16900р.

709 800р.

300 000р.

500 000р.

Стройматериалы(цемент, гравмасса , песок)

Одноэтажный дом(технический центр)

Инветор

200 000р.

Кабели , перемычки и др.

3шт

Сребства мониторинга электростанции

500 000р.

210000

2700м.

Трекер

630000р.

340р.

Прочие(видеокамеры , стеллажи для АКБ)

1 218000р.

2шт.

100 000р.

Всего

1016400р.

600 000р.

9 197 500 р.

Солнечная радиация

Солнечная радиация — излучение Солнца , которое распространяется в виде электромагнитных волн .

Все табличные данные взяты с официального сайта NASA

https://eosweb.larc.nasa.gov/cgi-bin/sse/grid.cgi

Солнечная инсоляция в с.Красноармейское

Среднемесячная рассеянная солнечная радиация на горизонтальной поверхности(кВт/м 2 *день)

55,767  с. ш. 47.17 в. д.

22-летняя средняя

янв.

фев.

0,69

1,50

март

апр.

2.80

4.25

май

5,51

июнь

5.89

июль

5,71

август

4.47

сент.

2.83

окт.

1,52

нояб.

декаб.

0.84

0,53

Среднемесячная расеянная солнечная радиация на вращающейся поверхности (кВт/м 2 *день)

55 . 767  с. ш. 47.17 в. д.

22-летняя

Средняя

январь

1.242

фев.

март

2.7

апр.

5.04

7.65

май

9.918

июнь

10.6

июль

10.29

авг.

8.046

сент.

5.094

окт.

нояб.

2.736

1.512

дек.

0.954

Расчёт мощности солнечной электростанции в с.Красноармейское

Два трекера вмещают на свою поверхность 78 солнечных панелей (151 м ^ 2).По данным солнечной радиации приведённых выше можно рассчитать мощность солнечной электростанции в разные месяца. По формуле:

P сэс = P ср * S* КПД панели

Общая мощность солнечной электростанции за год будет равна 102486кВт без учёта потерь

Расчет мощности ветровой электростанции

Для расчета общей мощности ветровой электростанции, воспользуемся формулой:

P = ξ • π • R 2 • V 3  • ρ • ηген

Мощность ветровой электростанции

Общая мощность за год равна 21913 кВт

Расчет сопротивления

Сопротивление медного кабеля находим по формуле:

R= ρ *L / S

Расчет потери мощности

Для расчета потерь мощности на проводнике воспользуемся законом Джоуля-Ленца A(Q)=I^2*R*t . Ветрогенераторы в среднем в год работают 4368 часов, а солнечные панели 5400 часов. Сила тока ветрогенератора в среднем составляет 10 А, а 13-и солнечных панелей, соединённых параллельно, составляет 60А.

А вэс .= ((I 1 ^2(R 1-2 + R 3-4 +R 5-6 +R 7-8 +R 9-10 +R 11-12 ))*15 724 800 сек.*12 =504335220Дж.

А сэс .= ((I 2 ^2(Rc-1+Rc-2)) *19 440 000сек.*6 = 3744144000Дж.

Чтобы ответ получить в кВт работу надо разделить на 3 600 000 Дж.

Рветр.=Аветр./3600000Дж.=140кВт.

Рсол.=Асол./3600000Дж.=1040кВт.

Аобщая=Аветр.+Асол.=1180кВт*ч.

Расчёт мощности ветровой и солнечной электростанции с учётом потерь

Солнечная электростанция вырабатывает в год 102486кВт, а ветровая электростанция 21913кВт. Общая мощность ветровой и солнечной электростанции без учёта потерь равна 124399кВт.

Расчёт полезной электроэнергии ветровой и солнечной электростанции:

Аполезн= ((Авэс* КПДкв + Асэс* КПДкс)*КПД акк.)) КПД инв-P трекера

Общая электроэнергия, которую может отдать ветровая и солнечная электростанция равна 95248кВт*ч.

Финансовый расчет вырабатываемой энергии ВЭС и СЭС

Тариф электроэнергии за 1 кВт*ч .

2.07руб

Вырабатываемая энергия кВт*ч за год .

95248кВт*ч

Цена за электроэнергию вырабатываемую за 1 год .

197 163 руб.

Ветровая и солнечная электростанция сможет оправдать свою цену за 49 лет. Конечно ветровая и солнечная энергия дорога, но в случаях, когда нет поблизости энергосетей она даже очень актуальна. Сделав анализ, опираясь на выходную мощность солнечной и ветровой электростанции я сделал вывод о том, что использование солнечной энергетики в с.Красноармейское наиболее выгоднее, чем использование ветроэнергетики.

Скорость ветра в разных районах Чувашии

Солнечная инсоляция в разных районах Чувашии

Актуальные ветрогенераторы для Чувашии

Ветрогенератор Онипко.

Преимущества:

• Работа на малых скоростях ветра.
• Доступная цена (от 70тыс.р.за 2кВт/ч).
• Среднемесячная выработка энергии 300кВт*ч трёхметровым ротором.

Недостатки:

• Нет в серийном производстве.

Вертикальный ветрогенератор.

Достоинства:

1) Стабильная работа на слабых ветрах.

Недостатки:

1) Высокая стоимость.

Способы увеличения мощности солнечной панели

Инновация, которой удалось добиться учёным, заключается в технологии производства полупрозрачного перовскита. Этот слой поглощает только высокоэнергетические фотоны из видимого спектра, пропуская остальные, тогда как кремниевая подложка работает в основном за счёт низкоэнергетических фотонов и инфракрасного спектра. Кристаллический минерал прост и недорог при изготовлении в лаборатории.

Достоинства и недостатки СЭС и ВЭС

Общие достоинства:

1)Отсутствие загрязнения окружающей среды при производстве энергии. 2) Использование возобновляемого, неисчерпаемого источника энергии.

3)Минимальные потери при передаче энергии .

Общие недостатки:

1)Зависимость от погоды и времени суток.

2) Высокие инвестиционные затраты.

3) Нестабильная выработка мощности.

Недостатки ВЭС:

1)Шум.

2) Угроза для птиц.

3) Изменения в ландшафте.

4) Частая поломка лопостей.

Так же у меня дома есть своя маленькая солнечная электростанция 500Вт*ч и солнечный водонагреватель.

Актуальность исследования

З А К Л Ю Ч Е Н И Е

1)При выполнении научно-исследовательской работы проведены теоретические исследования.

2) Было доказано, что строить в Чувашии и в с.Красноармейское солнечную электростанцию выгодней, чем ветровую.

3)В ходе исследования были рассмотрены новшества, а так же достоинства и недостатки альтернативной энергетики.

4) Были выбраны наиболее перспективные районы Чувашии для постройки солнечной и ветровой электростанции.

5) Самое главное выработка электрической энергии с использованием солнечных батарей и ветрогенераторов является более безвредным для окружающей среды, чем с использованием традиционных энергоресурсов.

6) ) В ходе научно-исследовательской работы было установлено, что использование ВЭС и СЭС в Чувашии не очень выгодно, но в случаях, когда нет поблизости энергосетей, она даже очень актуальна.

Список источников

[Шкрадюк И.Э. Тенденции развития возобновляемых источников энергии в России и мире ]

[Атернативные источники энергии Германович В., Турилин А.]

[https://eosweb.larc.nasa.gov/cgi-bin/sse/grid.cgi]

[http://solar-power-system.ru/id/kontroller-zaryada-expert-scc-mppt-3kw-91.html]

[http://gisee.ru/upload/deploying_renewables_rus.pdf]

http://gisee.ru/upload/deploying_renewables_rus.pdf]

[http://dom-en.ru/mosh/]

[http://altenergiya.ru/apologiya/alternativnaya-energiya-i-fizika.html]

[http://promvesti.com/alternativnaya-energetika/]

[https://ria.ru/eco/20091113/193404769.html]

[http://www.electroveter.ru/]

Спасибо за внимание!!!