Магистерский диплом (ВКР) на тему Эффективность применения солнечных батарей на фасаде зданий

Содержание:

Введение 3

1 Теоретический раздел 5

1.1 Проблемы применения традиционных источников электроснабжения 5

1.2 Перспективы применения альтернативных источников электроснабжения 14

2 Исследовательский раздел 20

2.1 Солнечная энергетика 20

2.2 Расчет и выбор солнечных панелей 39

2.3 Расчет электроснабжения жилого дома 50

3 Экологическая безопасность солнечных панелей 63

4 Расчет экономической эффективности применения солнечных панелей 65

4.1 Расчет затрат на установку солнечных панелей 65

4.2 Расчет срока окупаемости солнечных панелей 67

Заключение 69

Список литературы 70

Введение:

Актуальность данной работы заключается в том, что потребность в энергоносителях и связанных с этим услугах для обеспечения социально-экономического развития и улучшения благосостояния и здоровья человека растет. Общество все больше нуждается в энергоснабжении для удовлетворения основных потребностей человека (например, освещение, приготовление пищи, пространственный комфорт, передвижение и коммуникации) и для обслуживания производственных процессов. Примерно с середины 19 века во всем мире использование ископаемого топлива (уголь, нефть и газ) заметно выросло и стало основным в энергоснабжении, что вызволо рост выбросов в атмосферу диоксида углерода (CO2 ). Выбросы парниковых газов (ПГ) в результате обеспечения энергоснабжения внесли в прошлом значительный вклад в увеличение концентраций ПГ в атмосфере.

В настоящее время большинство жилых домов на территории Российской Федерации подключены к электрическим сетям. Но не всех потребителей устраивает централизованное подключение к источникам энергии. Постоянные кратковременные или долговременные отключения питания в сети, повышение цен на энергоносители, все это подталкивает население в сторону применения альтернативных источников питания в жилищном строительстве.

Учитывая простоту, доступность и огромный потенциал, солнечная энергетика одна из самых популярных направлений. Солнце является чистым и возобновляемым источником энергии. Солнечная энергия, является бесплатной и практически неисчерпаемой. Энергия солнца используется для получения электричества и нагрева воды. К сожалению, в центральной полосе России количество солнечных теплых дней в году ограничено. И в темное время суток выработка электроэнергии солнечными панелями невозможно.

Цель работы: Рассмотреть эффективность применения солнечных батарей на фасаде зданий.

Задачи работы:

— рассмотреть проблемы применения традиционных источников электроснабжения;

— рассмотреть перспективы применения альтернативных источников электроснабжения;

— раскрыть общие параметры солнечной энергетики;

— выполнить расчет и выбор солнечных панелей;

— выполнить расчет электроснабжения жилого дома;

— разработать раздел по экологическая безопасность солнечных панелей;

— выполнить расчет экономической эффективности применения солнечных панелей;

— выполнить расчет затрат на установку солнечных панелей;

— выполнить расчет срока окупаемости солнечных панелей.

Заключение:

В проделанной работе были решены следующие задачи:

1. Рассмотрены проблемы применения традиционных источников питания. Было показано, что одной из проблем использования традиционных источников энергии является ограниченность их запасов, что, в конце концов, приведет к полному истощению ископаемого топлива. Проблема настолько очевидна, что не нуждается в доказательстве.

2. Рассмотрены перспективы применения альтернативных источников питания. Альтернативные источники энергии – это любые источники, которые мы используем для дополнения или даже замены традиционных источников энергии, используемых для производства электроэнергии.

3. Была рассмотрена солнечная энергетика, как альтернативный источники энергии.

4. Из результатов расчета солнечных панелей был сделан вывод о том, что, наилучшие результаты солнечные панели показали в Красноярском и Хабаровском крае. Московская область отстаёт от этих показателей. Поэтому, можно сделать вывод о том, что чем ближе регион располагается к экватору, тем эффективнее себя показывают солнечные панели.

5. Для электроснабжения жилого дома, рассматриваемого в данной работе, было решено использовать комбинированное электроснабжение, которое будет состоять из электроэнергии, получаемой от двух источников:

— солнечных панелей;

— и городской ЛЭП 0,4 кВ.

7. В заключении была выполнен расчет затрат на установку солнечных панелей, который составил 871475 руб. И расчёт срока окупаемости. Срок окупаемости, который составит 5,8 года является вполне приемлемым, если учитывать, что срок службы солнечных батарей составляет 25 лет.

Фрагмент текста работы:

1 Теоретический раздел

1.1 Проблемы применения традиционных источников электроснабжения

Растущий мировой спрос на энергию, а также проблемы дефицита и воздействия на окружающую среду, связанные с традиционными источниками, лежат в основе очень вероятного энергетического кризиса в ближайшие два-три десятилетия. Нефть будет становиться все более дорогой и дефицитной, в то время как климатические последствия массового использования всех ископаемых видов топлива к тому времени будут отчетливо ощущаться [1-10].

В то же время срок полезного использования существующих ядерных установок подходит к концу. И неясно, особенно в Европе, будет ли энергия, которую они больше не будут давать после закрытия, даваться новыми атомными станциями.

В настоящее время мы не можем отказаться ни от каких существующих источников энергии. Они должны получить необходимые модификации для устранения или уменьшения их воздействия на окружающую среду, и должны быть добавлены новые источники, особенно возобновляемые.

Энергия является фундаментальной составляющей человеческой жизни. Нет ни одного промышленного, сельскохозяйственного, медицинского, домашнего или любого другого процесса, который не требовал бы определенного количества внешней энергии. Человек потребляет около 2500 килокалорий энергии в день в виде пищи.

Но в промышленно развитых странах среднесуточное количество дополнительной (экзосоматической) энергии, потребляемой при совокупной деятельности человека (производственной, бытовой, транспортной и др.), эквивалентно 125 000 килокалорий на человека. Это в пятьдесят раз больше, а в случае с США в сто раз больше. На самом деле существует сильная корреляция между индивидуальным потреблением энергии и благосостоянием различных обществ [1].

В беднейших странах корреляция очень сильная, при этом потребление энергии приводит к явному улучшению индекса человеческого развития.

В развитых странах очень большие различия в потреблении энергии не оказывают существенного влияния на уровень благополучия. Это указывает на то, что для последних стран энергосбережение является возможной и желательной политикой. В самых благополучных странах сбережения на самом деле являются самым чистым и распространенным источником энергии.

С другой стороны, необходимое экономическое и социальное развитие сравнительно бедных стран, составляющих большую часть населения мира, неизбежно потребует увеличения потребления энергии, поэтому нереально думать, что глобальное потребление энергии может уменьшиться в будущем. Если бы это было так, то это была бы абсолютная катастрофа для наименее развитых стран, которым не хватает всего, в том числе энергии.

Поэтому, хотя энергосбережение должно быть центральным аспектом активной политики в странах первого мира, с глобальной точки зрения мы должны решать проблему растущего спроса на энергию.

Первичные источники энергии определены, и маловероятно, что они будут добавлены в обозримом будущем. На заре человечества и до начала промышленной революции в начале девятнадцатого века единственными доступными источниками первичной энергии были древесина и другие формы природной биомассы, вьючные животные и ветер для морского или речного транспорта [2].

С появлением первых паровых двигателей уголь стал использоваться в качестве источника энергии, и сегодня он продолжает оставаться важным источником потребляемой первичной энергии. Позже, с широким использованием автомобилей с двигателями внутреннего сгорания, требующими жидкого топлива, нефть и ее побочные продукты стали основным источником энергии.

Эти виды топлива – уголь, нефть и природный газ – находятся на разных глубинах земной коры. Они образовались в более ранние геологические эпохи в результате естественных процессов, в ходе которых органические вещества – главным образом растения и морские организмы – подвергались воздействию высоких давлений и температур. Вот почему они известны как ископаемое топливо.

Их вклад в общее потребление первичной энергии во всем мире на конец 2007 года составил 35,6% по нефти, 28,6% по углю и 23,8% по природному газу. Таким образом, вместе они составляют 88% от общего числа. Как мы увидим ниже, есть много причин, по которым это невозможно поддерживать даже в ближайшем будущем. Остальное приходится на ядерную энергию, которая обеспечивает 5,6% от общего объема, и возобновляемые источники энергии, в основном гидроэлектростанции.

Энергия, полученная от ветра и солнца различными способами, является маргинальным фактором с глобальной точки зрения, но в некоторых странах, особенно в Испании, она начинает приобретать все большее значение. Итак, это глобальная перспектива; больше нет доступных источников первичной энергии [3].

Из всей этой первичной энергии важная часть преобразуется в электричество (около 40% в такой стране, как Испания), а остальная часть идет на транспортный сектор и другие промышленные и бытовые нужды.

Огромное преобладание ископаемого топлива в качестве основного источника энергии имеет ряд важных последствий:

Во-первых, они распределены неравномерно. Две трети известных запасов нефти, вероятно, топлива, которое труднее всего заменить, находятся в пределах пяти или шести стран Ближнего Востока, что подразумевает определенную степень зависимости, которая не особенно совместима со стабильными поставками. Природный газ также очень сконцентрирован в этом районе и в странах бывшего СССР, а уголь более равномерно распределен по всем частям планеты.

Во-вторых, это не возобновляемое сырье. Они формировались в течение десятков и даже сотен миллионов лет и потому незаменимы. Кроме того, они ограничены в ресурсах. В частности, использование нефти в качестве источника энергии, на котором основан образ жизни промышленно развитых стран, могло быть всего лишь кратким колебанием в истории человечества, ограниченным периодом примерно в два столетия.

В-третьих, этого сырья не хватает. Есть некоторые споры о количестве доступной нефти, но большинство геологов и экспертов-нефтяников сходятся во мнении, что при нынешних темпах потребления – не менее 85 миллионов баррелей нефти в день, что означает сжигание тысячи баррелей нефти в секунду – хватит только на несколько десятков лет. Можно возразить, что количество добываемой нефти зависит от цены и что, если она повысится, практически не будет предела производству.

Но этот аргумент упускает из виду тот факт, что требуется все больше и больше энергии (на разведку, откачку, переработку и логистику) для добычи нефти из месторождений, которые становятся все глубже или истощаются. В середине двадцатого века энергия, необходимая для извлечения барреля нефти, была эквивалентна примерно 1% содержимого этого барреля.

Сегодня, эта стоимость выросла до 10-15%. Когда энергия, необходимая для извлечения барреля сырой нефти, приблизится к энергии, которую тот же баррель мог произвести, независимо от его цены, тогда он исчезнет как первичный источник энергии, хотя он может по-прежнему быть полезным, особенно в нефтехимическая промышленность, где из него синтезируют множество соединений, лежащих в основе почти всех отраслей промышленности и сельского хозяйства [4].

При нынешнем уровне потребления доказанных запасов нефти хватит еще примерно на 40 лет, а запасов природного газа – примерно на 60 лет. Запасов угля хватит примерно на полтора столетия. Будут, конечно, новые открытия, а есть еще так называемые нетрадиционные нефти, получаемые из углеводородов, рассеянных в песках, битуминозных сланцах или тяжелых гудронах, но мы всегда должны помнить о растущих энергозатратах, а значит, и об их снижении, чистая прибыль и более высокая цена. Во всяком случае, не будет внезапного прекращения поставок, перехода от нынешних уровней использования к нулю. Вероятно, будет прогрессивный рост цен, а в какой-то момент также прогрессивный спад потребления и производства.

Наконец, мы знаем, что при сжигании ископаемого топлива образуется огромное количество атмосферного углекислого газа (CO2). Этот газ является одним из тех, которые производят парниковый эффект и тем самым способствуют глобальному потеплению. Учитывая, насколько быстро происходит это явление (в геологическом плане), оно может привести к серьезным климатическим нарушениям, потенциально опасным для нашей цивилизации.

Таким образом, наша социальная деятельность основана на использовании ископаемого топлива, которое из-за экологических соображений и ограниченных запасов должно быть ограничено в будущем. Тем не менее, уголь будет по-прежнему оставаться массовым источником энергии в ближайшие десятилетия, но его использование будет приемлемым только в том случае, если загрязнение, которое он производит, будет смягчено.

Следовательно, вторая энергетическая задача (первой является сокращение потребления в развитых странах) состоит в том, чтобы уменьшить первенство ископаемых видов топлива в производстве энергии [5].