Республиканская конференцияфестиваль творчества обучающихся «EXCELSIOR - 2017» Солнце, воздух и Земля - наши лучшие друзья!!! Секция: физика и астрономия Сведения об авторе: Терентьев Юрий Александрович , МБОУ «Траковская СОШ» Чувашская Республика с. Красноармейское, 11 класс. 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 1) 2) 3) 4) 5) 6) 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 Max. мощность Диаметр ротора Мошность при 5 м/с Стартовая скорость Номинальная и максимальная скорость Рабочая скорость ветра Max. скорость ветра Зона охвата , U, I. Цена: 52 000 рублей Вес генератора с лопастями Регулирование скорости Метод торможения 1, 5 к. Вт*ч 2. 5 к. Вт*ч 4 м 400 Вт*ч 2, 5 м/с 9 м/с , 13 м/с 2. 5 м/с - 25 м/с 40 м/с 12, 56 м ^2, 48 В , 50 А. 98 кг Электромагнитный тормоз + отклонения Электродинамический тормоз Шум 32 дб на 60 м при скорости ветра 8 м/с КПД генератора и редуктора 85%
Мачта для ветрогенератора Цена : 32 500 рублей 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
Контроллер ветрогенератора «Русский ветер» Номинальное напряжение на АКБ Максимальное напряжение от ветрогенератора от 12 до 48 В 75 В 150 В Номин. мощность ветрогенератора по каждому входу ГЕН 1 и ГЕН 2 Максимальная мощность ветрогенератора ГЕН 1 до 5 к. Вт Максимальная мощность ветрогенератора ГЕН 2 6 к. Вт Максимальный ток от ветрогенератора по каждому входу ГЕН 1 и ГЕН 2 Максимальный ток заряда Дисплей 80 А Потребление тока контроллером в ждущем режиме Температура окружающей среды Цена 58 000 руб. Влажность , КПД Вес 6 к. Вт 80 А ЖК (LCD) 50 м. А от -20 до +55 Со 3585%, 98% 9, 5 кг.
Солнечная панель ФСМ-300 М Монокристаллическая солнечная панель ФСМ-300 М Мощность номинальная (Вт): Напряжение номинальное (В): Напряжение холостого хода (В): Напряжение при работе на нагрузку (В): Ток при работе на нагрузку (А): КПД солнечного элемента (%): КПД солнечной батареи (%): Солнечные элементы: Цена: 28 000 рублей 300 24 45, 4 37, 2 8, 33 18, 2 15, 9 Grade A, монокриста лл Кол-во диодов (шт): 3 Коннекторы: MC 4 Класс защиты: IP 65 Габаритные размеры Дх. Шх. В 1956 х992 х50 (мм): Вес (кг): 23, 2
Контроллер солнечной панели Цена: 8550 р. Номинальное напряжение 12 / 24 V 36 V / системы 48 V Авто Работа Номинальный ток батареи 60 A Max. V напряжение 250 В разомкнутой цепи Диапазон напряжения 8 -72 В 1000 Вт 12 В 2000 Вт 24 В Входная мощность Max. P V 3000 Вт 36 В 4000 Вт 48 В Самопоглощение 1. 4 -2. 2 Вт Заземление Отрицательный Окружающая температура -25 - + 55 С Хранение -30 - + 85 C Диапазон влажности , КПД 10% -90% , 98% Приложение IP 20 Размер продукта 285 x 203 x 121 mm Монтаж 200 x 193 mm Вес нетто 5 кг
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°) Цена: 508 200 рублей. • Площадь трекера для солнечных панелей (S=76 м^2). • Потребление- 0. 8 к. Вт*ч. • Максимальная нагрузка ветра: 42 м/с. • Трекер увеличивает вырабатываемую мощность солнечных панелей на 40 -50%. • Работает автономно.
Инвертор Максимальная мощность Вт. Пиковая мощность, 5 сек. Вт. Номинальная мощность Вт. Цена 210 000 рублей 20 000 25 000 13 500 Аккумуляторное 48 напряжение В. Максимальная суммарная 4 800 (100% заряд 24 часа) емкость АКБ А*ч. Минимальная суммарная 800 ёмкость АКБ А*ч. Возможность работы на 3 Да (необходимо 3 инвертора) фазы Выходное напряжение В. 220 Частота выходного 50 (± 0. 1%) напряжения Гц. Форма сигнала на выходе Чистый синус по ГОСТ 13109 -97 Удалённо ПО под Windows и Андроид мониторнастройка Температурный диапазон -25 С. . . +35 С Вес Кг. 55, 3 Байпас, КПД Встроенный, 95%
Гелиевый аккумулятор DELTA GX 12 -200 Емкость номинальная (А*час): 200 Напряжение номинальное (В): 12 Материал корпуса: Материал пластин: Сепаратор , КПД зарядки и разрядки Электролит: негорючий ABS пластик свинец, диоксид свинца Стекловолокно, 85% Клеммы: Ток зарядный максимальный (А): Напряжение заряда (В) буферн. : 13, 4 -13, 7 при 20°С Напряжение заряда (В) циклич. : 14, 3 -14, 5 при 20°С Саморазряд (не более): 3% в месяц при 20°С Срок службы (лет): Рабочий диапазон температур: 10 от -20°С до +60°С Габаритные размеры Дх. Шх. В (мм): 16 900 рублей серная кислота в виде геля медь, болт М 8 (нерж. ) 60 522 х238 х227 Вес (кг): 65, 0
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 120 мм^2. Цена за метр 340 р.
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 Цена за 1 шт. Цена Контролёр солнечных батарей 6 шт. 8550 р. 51 300 р. Контролёр ветрогенератора 3 шт. 58000 р. 174000 р. Ветрогенератор +мачта 12 шт. 84500 р. 1014000 р. Солнечные панели 78 шт. 28000 р. 2184000 р. Аккумуляторы 42 шт. 16900 р. 709 800 р. Транспортные расходы 300 000 р. Наём рабочих 500 000 р. Стройматериалы(цемент, гравмасса , песок) 200 000 р. Одноэтажный дом(технический центр) 500 000 р. Инветор 3 шт 210000 630000 р. Кабели , перемычки и др. 2700 м. 340 р. 1 218000 р. Сребства мониторинга электростанции Трекер 100 000 р. 2 шт. 1016400 р. Прочие(видеокамеры , стеллажи для АКБ) 600 000 р. Всего 9 197 500 р.
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(к. Вт/м 2*день) 55, 767 с. ш. 47. 17 в. д. янв. фев. март апр. 22 -летняя средняя 0, 69 1, 50 2. 80 4. 25 май 5, 51 июнь июль 5. 89 5, 71 август сент. окт. нояб. декаб. 2. 83 1, 52 0. 84 0, 53 4. 47 Среднемесячная расеянная солнечная радиация на вращающейся поверхности (к. Вт/м 2*день) 55. 767 с. ш. 47. 17 в. д. 22 -летняя Средняя январь фев. 1. 242 2. 7 март апр. 5. 04 7. 65 май 9. 918 июнь июль авг. 10. 6 10. 29 8. 046 сент. окт. нояб. дек. 5. 094 2. 736 1. 512 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: Pсэс= Pср* S* КПДпанели Общая мощность солнечной электростанции за год будет равна 102486 к. Вт без учёта потерь
Расчет мощности ветровой электростанции Для расчета общей мощности ветровой электростанции, воспользуемся формулой: P = ξ • π • R 2 • V 3 • ρ • ηген бр ь ка Де рь Н Скорость ветра м/с на высоте 10 метров (55. 767 с. ш. , 47. 17 в. д. ) 3. 24 3. 23 оя б рь кт яб О рь яб Се нт ус т вг А ю ль 3. 25 3. 20 2. 95 2. 82 И ю нь 2. 88 И А 3. 06 ай ь 3. 20 пр ел ар т М ра ль Ф ев ва рь Ян 3. 25 М 3. 39 3. 29
Мощность ветровой электростанции гу ст Се нт яб рь О кт яб рь Н оя бр ь Де ка бр ь 2022 Ав ль ю И нь И ю ай М ре ль Ап ар т М ль ра Ф ев Ян ва рь Мощность ветровой электростанции (к. Вт) в разные месяца 2088 2137 2013 1885 1974 1912 1859 1703 1526 1420 1374 Общая мощность за год равна 21913 к. Вт
Расчет сопротивления Сопротивление медного кабеля находим по формуле: R 7 -8=0. 08075 Ом R 1 -2=0. 0765 Ом R= ρ*L/S R 3 -4=0. 0527 Ом R 5 -6=0. 0289 Ом R 9 -10=0. 05326 Ом R 11 -12=0. 028616 Ом Rc-1=0. 0187 Ом Rc-2=0. 03485 Ом 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 60 А. Авэс. = ((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=504335220 Дж. Асэс. = ((I 2^2(Rc-1+Rc-2))*19 440 000 сек. *6= 3744144000 Дж. Чтобы ответ получить в к. Вт работу надо разделить на 3 600 000 Дж. Рветр. =Аветр. /3600000 Дж. =140 к. Вт. Рсол. =Асол. /3600000 Дж. =1040 к. Вт. Аобщая=Аветр. +Асол. =1180 к. Вт*ч.
Расчёт мощности ветровой и солнечной электростанции с учётом потерь Солнечная электростанция вырабатывает в год 102486 к. Вт, а ветровая электростанция 21913 к. Вт. Общая мощность ветровой и солнечной электростанции без учёта потерь равна 124399 к. Вт. Расчёт полезной электроэнергии ветровой и солнечной электростанции: Аполезн= ((Авэс* КПДкв + Асэс* КПДкс)*КПД акк. )) КПД инв-Pтрекера Общая электроэнергия, которую может отдать ветровая и солнечная электростанция равна 95248 к. Вт*ч.
Финансовый расчет вырабатываемой энергии ВЭС и СЭС Тариф электроэнергии за 1 к. Вт*ч. 2. 07 руб Вырабатываемая энергия к. Вт*ч за год. 95248 к. Вт*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.
й ки ьс А ов й ли ск и К ков й ал с Ш ин кий ум ин ер ски ли й нс К ра Ядр ки сн ин й оа с рм ки й И ейс бр е ки А сен й л с Ш аты ки ем рь й ур ск и ш Ба ин й ты ск р и Я ль ев й чи ск ко ий в П ски К й ом ор со ецк мо и й л К ьск ан и Я аш й н К с ра ти ки й сн ко о вс че ки М тай й ор с га ки й М у ар Ку шс ин ге ки й ск се о- нс по ки са й дс ки й оз л К ки ар с ил ив Ц ок с Ч еб Скорость ветра в разных районах Чувашии 3. 18 Средний годовой балл скорости ветра в м/с 3. 16 3. 14 3. 12 3. 1 3. 08 3. 06 3. 04 Средний годовой балл скорости ветра в м/с
Ц ск ив и ил й ьс Ко к зл ий ов ск Ал ик ий ов Ка ск ли и ни й Ш нс ум ки ер ли й нс к Я Кр др ий ас ин но ск ар ий м ей И ск бр ес ий ен Ал ск ат ий ы Ш рь ем ск ур ий ш ин Ба ск ты и ре й Я вс ль чи кий ко вс ки П й ор Ко ец м со ки м ол й ь Ка ски й на ш Я с Кр нти кий ко ас вс но че кий та йс М ор ки га й уш М ск ар Куг ес ий ин ен ск ск опо ий са дс ки й ар кс Че бо Солнечная инсоляция в разных районах Чувашии 3. 1 Средний годовой балл солнечной инсоляции (к. Вт/м^2/день) 3. 05 3 2. 95
Актуальные ветрогенераторы для Чувашии Ветрогенератор Онипко. Преимущества: • Работа на малых скоростях ветра. • Доступная цена (от 70 тыс. р. за 2 к. Вт/ч). • Среднемесячная выработка энергии 300 к. Вт*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: Общие недостатки: 1)Отсутствие загрязнения окружающей среды при производстве энергии. 2) Использование возобновляемого, неисчерпаемого источника энергии. 3)Минимальные потери передаче энергии. 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 500 Вт*ч и солнечный водонагреватель.
Актуальность исследования
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 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]](https://present5.com/presentation/663c1b29a5ed6506ddc7288cf97664b4/image-32.jpg "Список источников [Шкрадюк И. Э. Тенденции развития возобновляемых источников энергии в России и мире]")
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 -3 kw-91. html] [http: //gisee. ru/upload/deploying_renewables_rus. pdf] [http: //dom-en. ru/mosh/] [http: //altenergiya. ru/apologiya/alternativnaya-energiya-ifizika. html] [http: //promvesti. com/alternativnaya-energetika/] [https: //ria. ru/eco/20091113/193404769. html] [http: //www. electroveter. ru/]
Спасибо за внимание!!!
Скачать презентацию Республиканская конференцияфестиваль творчества обучающихся EXCELSIOR — 2017 Солнце
663c1b29a5ed6506ddc7288cf97664b4.ppt