Энергоэффективные здания: солнечные батареи как способ снижения энергозатрат на эксплуатацию здания

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ЭКОНОМИКИ И УПРАВЛЕНИЯ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Курсовая работа

по архитектуре и градостроительству

Энергоэффективные здания: солнечные батареи как способ снижения энергозатрат на эксплуатацию здания

МОСКВА, 2011 ГОД



Содержание

Введение

1. Понятие о солнечных батареях

2. История солнечных батарей

3. Технические характеристики солнечных батарей

4. Принцип действия фотоэлектрических солнечных батарей

5. Варианты подключения фотоэлектрических солнечных батарей

5.1 Автоматическое

5.2 Резервное

5.3 Подключение к сети

6. Монтаж фотоэлектрических солнечных батарей

7. Преимущества и эффективность батарей

8. Недостатки солнечных батарей

Заключение

Список использованных источников

Приложение



Введение

Строительство энергоэффективных зданий в настоящее время, широко осуществляется во всем мире. Особенно впечатляющи в этом отношении успехи стран Западной Европы и Скандинавии.

Суммарный эффект экономии тепла во вновь возводимых жилых и коммерческих зданиях здесь составляет 50-70%. Столь существенная экономия позволяет быстро окупить затраты от применения энергосберегающих технологий.

Началом новейшей истории энергоэффективного домостроения является энергетический кризис 1973-1974 годов, когда Арабские страны за поддержку агрессии Израиля против них, объявили нефтяное эмбарго западу, а затем на порядок подняли цены на нефть.

Западные страны ответили многочисленными проектами по энергосбережению, в том числе, и в сфере строительства и эксплуатации зданий. Так специалисты Международной энергетической конференции ООН (МИРЭК) заявили о том, что современные здания обладают огромными резервами повышения их тепловой эффективности, но исследователи недостаточно изучили особенности формирования их теплового режима, а проектировщики не умеют оптимизировать потоки тепла и массы в ограждениях и здании.

В докладе специалистов МИРЭК была сформулирована главная идея экономии энергии: энергоресурсы могут быть использованы более эффективно путем применения мер, которые осуществимы технически, обоснованы экономически, а также приемлемы с экологической и социальной точек зрения, т. е., использованы с минимумом изменений привычного образа жизни.

Поначалу специалисты говорили об экономии энергии, затем перешли к понятию энергоэффективности. Последнее, означает экономию энергии без снижения качества услуги, оказываемой с ее использованием.

С тех пор на Западе пройден длинный и успешный путь энергосбережения, в частности, в области строительства. Результаты, достигнутые на практике в повышении энергетической эффективности зданий, столь впечатляющи, что позволяют говорить о революционных изменениях в домостроении. В связи с этим, по прошествии времени специалисты стали оценивать энергетические кризисы семидесятых годов как горькое, но чрезвычайно полезное лекарство для всей экономики Запада.

Одним из основных способов снижения энергозатрат на эксплуатацию здания является установка на крышах зданий солнечных батарей, которые накапливают солнечную энергию и преобразуют ее в электрическую.



1. Понятие о солнечных батареях

Солнечная батарея - бытовой термин, используемый в разговорной речи или ненаучной прессе.

Обычно под термином «солнечная батарея» подразумевается несколько объединённых фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) - полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток.

В отличие от солнечных коллекторов, производящих нагрев материала-теплоносителя, солнечная батарея производит непосредственно электричество.

Хотя, для производства электричества из солнечной энергии используются и солнечные коллекторы: собранную тепловую энергию можно использовать и для вырабатывания электричества.

Наиболее крупные солнечные установки, использующие высококонцентрированное солнечное излучение в качестве энергии для приведения в действие тепловых и других машин (например: паровой, газотурбинной, термоэлектрической и др.), называются Гелиоэлектростанции (ГЕЭС).

Различные устройства, позволяющие преобразовывать солнечное излучение в тепловую и электрическую энергию, являются объектом исследования гелиоэнергетики (от гелиос греч. Helios - солнце). Производство фотоэлектрических элементов и солнечных коллекторов развивается быстрыми темпами в самых разных направлениях.

Солнечные батареи бывают различного размера: от встраиваемых в микрокалькуляторы (рис. 1), до занимающих крыши автомобилей (рис. 2) и зданий (рис. 3).

Также солнечные батареи используются даже в космосе (рис. 4).



Рис. 1. - Солнечная батарея для микрокалькулятора:

Рис. 2. - Солнечная батарея для подзарядки электромобиля Prius 2008:

Рис. 3. - Солнечные батареи для энергообеспечения здания:

Рис. 4. - Батареи для энергообеспечения космических станций:



2. История солнечных батарей

Первые солнечные батареи, способные преобразовывать солнечную энергию в механическую, были построены во Франции. В конце XIX века на Всемирной выставке в Париже изобретатель О. Мушо демонстрировал инсолятор - аппарат, который при помощи зеркала фокусировал лучи на паровом котле. Котел приводил в действие печатную машину, печатавшую по 500 оттисков газеты в час. Через несколько лет в США построили подобный аппарат мощностью в 15 лошадиных сил.

Рис. 5. - Паровой котел на солнечной энергии, приводящий в движение печатный станок:

Подходили годы, инсоляторы использующие солнечную энергию совершенствовались, но принцип оставался прежним: солнце - вода - пар. Но вот, в 1953 году ученые Национального аэрокосмического агентства США создали настоящую солнечную батарею - устройство, непосредственно преобразующее энергию солнца в электричество.

Еще в 70-х годах 19 века был открыт так называемый фотоэлектрический эффект - явление, связанное с освобождением электронов твердого тела или жидкости под действием электромагнитного излучения. В 30-х годах глава физиков нашей страны академик А.Ф. Иоффе высказал мысль о использовании полупроводниковых фотоэлементов в солнечной энергетике.

Правда, рекордный коэффициент полезного действия (КПД) тогдашних материалов не превышал 1 процента, то есть, в электричество превращалась лишь сотая часть световой энергии.

После многолетних экспериментов удалось создать фотоэлементы с КПД до 10-15%. Затем американцы построили солнечные батареи современного типа.

В 1959 году они были установлены на одном из первых искусственных спутников Земли, и с тех пор все космические станции оснащаются многометровыми панелями с солнечными батареями.

Низкий КПД солнечных батарей можно было бы компенсировать большой площадью, например, покрыть всю пустыню Сахару фотоэлементами - и готова мощнейшая солнечная электростанция.

Однако кремниевые полупроводники, на основе которых производятся солнечные батареи, очень дорого стоят. И чем выше КПД, тем дороже материалы. Вследствие этого доля солнечной энергии в сегодняшней энергетике невелика.

Однако в связи с не бесконечностью ископаемого топлива, доля энергии получаемой солнечными батареями будет неминуемо возрастать. Так же росту использования солнечных батарей способствуют разработки направленные на повышение КПД и понижение их стоимости.

Одно из главных достоинств солнечной энергии - ее экологическая чистота. Правда, соединения кремния могут наносить небольшой вред окружающей среде.

Однако по сравнению с последствиями сжигания природного топлива такой ущерб - капля в море.



Рис. 6. - Принцип работы гелиоэлектростанции:

Полупроводниковые солнечные батареи имеют очень важное достоинство - долговечность. При том, что уход за ними не требует от персонала особенно больших знаний. Вследствие этого солнечные батареи становятся все более популярными в промышленности и быту.

Несколько квадратных метров солнечных батарей вполне могут решить все энергетические проблемы небольшой деревушки.

В странах с большим количеством солнечных дней - южной части США, Испании, Индии, Саудовской Аравии и прочих - давно уже действуют солнечные электростанции. Некоторые из них достигают довольно внушительной мощности.

Сегодня уже разрабатываются проекты строительства солнечных электростанций за пределами атмосферы - там, где солнечные лучи не теряют своей энергии.

Уловленное на земной орбите излучение предлагается переводить в другой тип энергии - микроволны - и затем уже отправлять на Землю. Все это заучит фантастично, однако современная технология позволяет осуществить такой проект в самом близком будущем.

Рис. 7. - Солнечные батареи на верблюде:



3. Технические характеристики солнечных батарей

Как и любое техническое устройство, солнечная батарея имеет свои эксплуатационные и технические характеристики, которые отличаются для различных моделей, различных производителей, но с достаточно небольшим расхождением. При площади солнечной батареи примерно 0,2 мІ мощность модуля составляет примерно 10 Вт. Напряжение при максимальной нагрузке - около 25 В. Ток короткого замыкания составляет около 500 мкА. Вес такого модуля около 2 кг. Типичный КПД солнечной батареи - от 14 до 18%. Срок службы такой пластины не менее 25 лет.



4. Принцип действия фотоэлектрических солнечных батарей

Фотоэлектрическая солнечная батарея состоит из нескольких фотоэлектрических солнечных модулей, электрически и механически соединенных друг с другом. Фотоэлектрический солнечный модуль - устройство, конструктивно объединяющее электрически соединенные между собой фотоэлектрические солнечные элементы и имеющее выходные клеммы для подключения внешнего потребителя.

Фотоэлектрический элемент состоит из двух тонких слоев полупроводникового материала: один с незначительной примесью, которая придает ему свойства проводника отрицательных зарядов (область n), второй также с примесью, но она превращает его в проводник положительных зарядов (область p).

Рис. 8. - Солнечная батарея:

Где:

1 - свет (фотоны);

2 - фронтальный контакт;

3 - негативный слой;

4 - слой p-n перехода;

5 - позитивный слой;

6 - задний контакт.

Когда в зону соприкосновения двух полупроводников попадает солнечная радиация, создается электродвижущая сила, которая может перемещать электрический ток во внешнем контуре, подключенном к областям n и p.

Основным материалом, используемым для изготовления фотоэлектрических элементов, является кремний. Кремний с примесью фосфора относится к типу n, с примесью бора - к типу p.

Солнечные модули могут генерировать электричество в течение 20 и более лет. Износ происходит в основном от воздействия окружающей среды, потому что никаких термодинамических процессов в установке не происходит, в ней нет движущихся элементов. Хорошо смонтированная солнечная батарея будет надежным, тихим и чистым источником энергии в течение многих лет.



5. Варианты подключения фотоэлектрических солнечных батарей

Энергия, производимая фотоэлектрическим генератором, не используется с прямым подключением к пользовательской сети. Между электропроизводящей установкой и пользовательской сетью устанавливают инвертор, чтобы получить электроэнергию в виде однофазного переменного тока на 230 В или трехфазного на 400 В. В зависимости от целей потребителя, наличия/отсутствия и качества электросети можно выделить 3 варианта подключения фотоэлектрической солнечной батареи:

- автономное;

- резервное;

- подключение к сети.

5.1 Автоматическое

В удаленных районах, где нет централизованного электроснабжения, солнечные батареи используются для электроснабжения отдельных домов.

В установках данного типа производимая электроэнергия аккумулируется в батареях и используется затем в темное время суток или в период слабой инсоляции.

Система данного типа требует, чтобы фотоэлектрическое поле имело размеры, обеспечивающее в период нормальной инсоляции как непосредственно нагрузку рабочего электрического контура, так и подзарядку аккумуляторных батарей.

Система имеет в своем составе:

- фотоэлектрические модули;

- контроллер заряда (служит для предохранения аккумуляторов от избыточной подзарядки фотоэлектрическим генератором, равно как от избыточной разрядки в ходе использования);

Рис. 9. - Автономная система электроснабжения для дома:



Рис. 10. - Резервная система электроснабжения для дома:

- инвертор (его задача состоит в преобразовании постоянной электрической энергии, производимой фотоэлектрическим полем, в энергию переменного типа, требующуюся для питания пользовательского оборудования);

- система аккумуляции (имеет в своем составе ряд подзаряжаемых аккумуляторных батарей, емкость которых полностью обеспечивает требуемый уровень автономности в отношении электропитания подключенной нагрузки).

5.2 Резервное

Резервные фотоэлектрические установки используют там, где есть соединение с сетью централизованного электроснабжения, но оно ненадежно.

В случае отключения сети или недостаточного сетевого напряжения, для покрытия нагрузки используется фотоэлектрическая установка.

Малые резервные фотоэлектрические установки служат для электроснабжения наиболее важной нагрузки - освещение, компьютер и средства связи.

Более крупные системы могут также снабжать энергией и холодильник во время отключения сети.

Чем больше мощность, необходимая для питания ответственной нагрузки, и чем дольше периоды отключения сети, тем большая мощность фотоэлектрической системы необходима.

Система имеет в своем составе:

- фотоэлектрические модули;

- контроллер заряда;

- инвертор;

- система аккумуляции.

Рис. 11. - Подключение к сети:

5.3 Подключение к сети

Если объект подключен к сети централизованного электроснабжения, избыток электрической энергии можно продать электросетям. Правда, это справедливо только для стран, где принят EEG - закон о возобновляемых источниках энергии, в частности, в Германии.

Система имеет в своем составе:

- фотоэлектрические модули;

- инвертор для подключения к сети;

- интерфейс взаимодействия с электрической сетью (регулирует формы волн электроэнергии в соответствии с параметрами, определенными местной энергетической компанией);

- двунаправленный электросчетчик (ведет учет электричества, полученного из сети, и электричества, отданного в сеть).



6. Монтаж фотоэлектрических солнечных батарей

Количество вырабатываемой генератором электроэнергии зависит от целого ряда факторов. К поддающимся изменению относят угол наклона и ориентацию установки. Критерием ориентации генератора является азимут.

Угол наклона - это угол между горизонталью и батареей. При установке на скатной крыше угол наклона задается скатом кровли. Наибольшее количество энергии воспринимается панелью батареи при расположении ее плоскости под прямым углом к направлению инсоляции. Поскольку угол инсоляции зависит от времени суток и года, ориентацию плоскости батареи следует выполнять в соответствии с высотой Солнца в период поступления наибольшего количества солнечной энергии.

Рис. 12. - Монтаж солнечных батарей:

На практике идеальными для нашей широты оказались углы наклона между 30 и 45є. Азимут описывает отклонение плоскости солнечной батареи от направления на юг, если плоскость батареи ориентирована на юг, то азимут = 0є. Установка солнечной батареи и определение ее размеров должны быть выполнены таким образом, чтобы незначительным было воздействие дающих тень соседних зданий, деревьев и т. п.

Важной частью солнечной фотоэлектрической системы является поддерживающая конструкция для солнечных панелей. Она обеспечивает правильный угол наклона панелей, а также необходимую жесткость конструкции. Варианты монтажа установки:

- Наклонный (на крышу с любым углом наклона ската);

Рис. 13. - Наклонный монтаж:

- Горизонтальный (на плоскую крышу);

Рис. 14. - Горизонтальный монтаж:



- Свободностоящий (солнечная батарея с опорной конструкцией);

Рис. 15. - Свободностоящий монтаж:

Рис. 16. - Интегрированный монтаж: Небоскреб в Манчестере:



- Интегрированный. Соединенные с сетью системы могут быть элементом конструкции здания. Более того, интеграция в здание может быть отличным способом улучшить архитектуру здания и показать, что элементы конструкции здания также могут выполнять функцию генерации электричества. Для таких применений разрабатываются и изготавливаются специальные конструкции.

Комбинация поддерживающей конструкции с солнечными модулями должна выдерживать порывы ветра и другие неблагоприятные воздействия окружающей среды.



7. Преимущества и эффективность батарей

Несмотря на сравнительно низкий КПД солнечная батарея является наиболее эффективным источником электричества среди альтернативных и автономных источников питания. Однако ввиду достаточно высокой стоимости солнечной батареи, а главное зависимости от погодных условий, их в большинстве случаев позиционируют не как основной, а как дополнительный источник питания.

Вызвано это двумя причинами, достаточно высокой стоимостью самих солнечных батарей, и сравнительно небольшим выходом энергии с единицы площади.

Рис. 17. - Солнечные батареи для дома:

В ясный солнечный день с одного квадратного метра площади солнечной батареи можно снять максимум 120 Вт мощности. Этого недостаточно даже для работы компьютера.

Поэтому для получения более весомой мощности солнечные панели объединяют в целые мини электростанции.

С солнечной батареи площадью 10 мІ можно получать уже более 1 кВт энергии, что может обеспечить работу компьютера, телевизора, нескольких лампочек. В целом, для дома, где живет 3-4 человека (это потребляемая мощность 200-300 кВт в месяц), площади солнечных батарей, скажем, в 20мІ в светлое время дня и светлое время года может оказаться достаточно. Как правило, ориентированного на юг участка крыши для установки такой площади солнечной батареи хватит.

Если же площадь крыши ориентированной на юг составит 40 мІ, то это может при 18-20 солнечных днях дать до 500 кВт в месяц. Однако установка батарей такой площади составит не менее 10 тыс. у. е.

Солнечная батарея зимой будет неэффективна.

В то же время нельзя не заметить и очевидные достоинства:

- длительный срок службы;

- независимость от технических неполадок энергопоставляющей организации;

- крайне низкая вероятность выхода солнечной батареи из строя;

- отсутствие необходимости в постоянном обслуживании;

- бесплатность самой энергии (правда после того как в систему были вложены немалые средства).



8. Недостатки солнечных батарей

Недостатков у солнечных батарей как источника энергии не так уж много, но они, к сожалению, весьма убедительны и конкретны:

- высокая стоимость и как следствие длительный срок окупаемости;

- зависимость от погодных условий;

- низкий КПД по сравнению с традиционными источниками энергии;

- невозможность использования для приборов, потребляющих большую мощность.

Панели солнечных батарей бывают самого разного размера и мощности. Стоимость наиболее мощных колеблется в диапазоне от 600 до 900 у. е. В пересчете с площади на мощность получается, что сумма вложений составляет до 5 у. е. за 1 Вт получаемой мощности, правда, эта сумма раскладывается не на один десяток лет.

Таким образом, чтобы получать дармовую солнечную энергию необходимо инвестировать в установку солнечной электростанции сразу весьма значительную сумму - применительно к частному дому для 3-4 человек это от 10 до 20 тыс. у. е.

Это всегда сложнее, чем выплачивать регулярно, но понемногу. Поэтому в большинстве случаев наличие на крыше частного дома солнечных батарей свидетельствует не столько о приверженности к техническому прогрессу и экологичным технологиям, сколько о наличии у владельца избыточных сумм на банковском счету.

Именно поэтому в европейских странах солнечные батареи встречаются значительно чаще, поскольку там выше покупательная способность. Кроме того, применение солнечных батарей вынуждает выбрать в доме подходящее помещение для установки аккумуляторов, оборудовать схему синхронизации напряжения с тем, которое поступает от местной трансформаторной подстанции.



Рис. 18. - Дополнительное оборудование при эксплуатации солнечных батарей:



Заключение

Солнечные батареи как способ снижения энергозатрат на эксплуатацию здания не всегда эффективен.

Во-первых, если здание с большим количеством энергопотребляющих приборов, то установка солнечных батарей будет весьма затратной. Если же нужно покрыть энергопотребление одного коттеджа (частного дома), то, в принципе, это не очень дорого на данный момент.

Тем более, что солнечные батареи можно устанавливать параллельно с уже существующим подключением к центральной электросети.

Т. е., часть энергопотребляющих приборов будет получать энергию от центральной сети (как правило, это приборы с большим энергопотреблением), а часть от солнечных батарей.

Необходимое количество батарей можно рассчитать исходя из общего энергопотребления дома за сутки.

Во-вторых, кроме покупки солнечных батарей, необходимо сопутствующее им оборудование:

- аккумуляторные батареи;

- конвертор;

- инвертор;

- соединяющие провода.

Но несмотря на недостатки солнечных батарей у них есть существенное преимущество: цены на электроэнергию неуклонно растут с каждым годом, а солнечная энергия бесплатная.

Также «плюсом» являются и сроки эксплуатации солнечных батарей, которые составляют примерно 25-30 лет.



Список использованных источников

1. Колтун М.М. Солнечные элементы. - М.: Наука, 1987. - 192с.

2. Сайт «СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ» (Электронный ресурс).

3. Сайт «Новые технологии» (Электронный ресурс).

4. Сайт «Энергоэффективный дом» (Электронный ресурс).

5. Сайт «Википедия» (Электронный ресурс).

6. Сайт «Солнечный дом» (Электронный ресурс).

7. Сайт «Аккумуляторы, батарейки и другие источники питания (Электронный ресурс). энергосберегающий строительство монтажный

8. Сайт «Середа - автономные экодома» (Электронный ресурс).

9. Сайт «Мегановости» (Электронный ресурс).

10. Сайт «Электронные книги» (Электронный ресурс).

11. Сайт «Экоэнергия» (Электронный ресурс).

12. Сайт «Строительный портал» (Электронный ресурс).

13. Сайт «Малахит» (Электронный ресурс).

14. Сайт «Строительный портал» (Электронный ресурс).

15. Сайт «Умный дом» (Электронный ресурс).

Приложение

Размещено на Allbest.ru

...