VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Энергоэффективный дом – современная концепция строительства зданий будущего, отражающая рубежи к которым нужно стремится при строительстве обычных зданий. Современное строительство находится ещё на большом удалении от эффективных технологий. В первую очередь причина кроется в высокой стоимости технологий используемых в концепции энергоэффективного дома. Многие направления ещё только обретают свой путь. Человек широко освоил использование не возобновляемых ресурсов : угля, нефти, газа… Однако запасы углеводородов исчерпываются во много раз быстрее, чем обновляются на планете, и придёт время когда возобновляемые природные ресурсы придётся использовать как основной источник энергии.

Человек находясь в своём доме нуждается в определённых параметрах микроклимата: внутренняя температура и влажность воздуха, подвижность воздуха, приток свежего воздуха, освещённость помещения, солнечный свет. На этом потребности не ограничеваются, для комфортного существования так же затрачивается газ или электроэнергия на приготовление пищии решение бытовых нужд, чистая вода, канализация… Для обеспечения всех необходимых условий затрачивается энергия, добываемая в большинстве случаев из углеводоров. В данной статье рассмотрим наиболее популярные возможности экономии и замещения классической энергетики альтернативной. Каждое направление имеет высокие перспективы в масштабах всего человечества, но при этом имеет высокую стоимость и существенный ряд ограничений и сложностей, будь то низкий кпд солнечных панелей или ограниченность регионов использования тепловых насосов. Каждая тема является самостоятельным направлением.

Основные темы:

Тепловой насос......................................................................................

МГД-генераторы....................................................................................

Утепление дома ............................................................................

Световоды ...........................................................................................

Световые панели..................................................................................

Освещение улицы........................................................................

Тепловой насос

Можно ли сэкономить на отоплении? Вопрос волнует многих, особенно с учетом постоянного роста тарифов на энергоносители. Более 30 лет назад была предложена альтернатива – извлекать энергию из окружающей среды. Разработанная схема получила название – тепловые насосы для отопления дома. Для нас это в новинку, но опыт Европы и Японии доказывает эффективность.

Тепловые насосы как технология, позволяющая частично вытеснить органическое топливо и обеспечить теплоснабжение с минимальными затратами первичной энергии, находится в центре внимания зарубежных и отечественных исследователей и промышленных фирм.

Тепловой насос - экологически чистая система, позволяющая получать тепло для отопления и горячего водоснабжения коттеджей за счет использования низкопотенциальных источников и переноса его к теплоносителю с более высокой температурой. В качестве низкопотенциальных источников могут использоваться грунтовые и артезианские воды, озера, моря, тепло грунта, вторичные энергетические ресурсы - сбросы, сточные воды, вентиляционные выбросы и т.п. Затрачивая 1 кВт электрической мощности в приводе компрессионной теплонасосной установки (ТНУ), можно получить 3-4, а при определенных условиях и до 5-6 кВт тепловой мощности.

При отсутствии подвода газа в современных коттеджных и дачных посёлках для отопления домов в большинстве случаев стараются использовать электричество. Несомненно, это удобно, однако дорого. Для отапливания дома электричеством требуется значительная выделенная мощность, и кроме этого, потребление электроэнергии для выработки тепла велико, что может вызвать отключение электричества и перегрузку локальных сетей. Кондиционирование дома также в большинстве случаев осуществляется с помощью электроэнергии. В результате всего вышеперечисленного затраты на отопление, горячее водоснабжение (ГВС), вентиляцию дома, кондиционирование достигают немалых сумм.

Решением проблемы можно смело назвать тепловой насос. Принцип его работы – «холодильник наоборот». Он работает на электрической энергии. Выдаваемая общая тепловая мощность насоса в 3-5 раз превосходит затрачиваемую электрическую мощность.

Целью исследования является составление карты рентабельности тепловых насосов исходя из климатических условий различных городов Российской Федерации.

Тепловые насосы могут быть актуальны в том случае если ваш дом не газифицирован, и электроэнергия подается к вам без перебоев. А также, если можно использовать ночной режим оплаты за электричество, и основное отопление производить ночью.

Для выполнения данной цели необходимо выполнить ряд задач:

1. Разобраться в принципе действия теплового насоса.

2. Найти преимущества и недостатки тепловых насосов.

3. Выбрать определенное количество городов России для исследования температуры воздуха и глубины промерзания грунта.

4. Составить необходимые таблицы с данными о промерзании грунта и о температуре в выбранных городах с обеспеченностью 0.92.

5. Узнать о разновидностях тепловых установок.

6. Провести обзор производителей тепловых установок.

7. Рассчитать эффективность тепловых установок в выбранных городах.

8. Построить карту рентабельность тепловых насосов на территории Российской Федерации.

Тепловые насосы используют только природные источники тепла – воздух, грунт или воду. Благодаря этому они не только существенно экономят семейный бюджет, заставляя забывать о внушающих счетах за газ или электричество, но и являются безопасными для окружающей среды, а также для людей, не выделяя в ходе своего функционирования никаких вредных веществ. Для многих эти два фактора являются решающими в выборе прибора для обогрева.

Тепловой насос в своей работе потребляет минимальное количество электроэнергии, что весьма ощутимо сказывается на семейном бюджете, ведь оплата за коммунальные счета будет гораздо ниже, чем была ранее, особенно в зимний период года.

Представляет он собой модифицированный холодильник. Если последний выкачивает тепло наружу, то насос, забирая тепло извне, будет нагнетать его в помещение. Тепловой насос по сути своей можно представить как устройство, в котором температура преобразуется в несколько раз.

В исследовательской части моей работы сначала я выбираю определенное количество городов России для исследования температуры воздуха и глубины промерзания грунта. Города берутся из разных природных и климатических зон. Далее рассчитываю эффективность тепловых установок в выбранных городах и на основе этих данных составляю карту рентабельности тепловых насосов на территории РФ.

Исходя из проделанной работы можно сказать, что в большинстве исследуемых городов подойдут геотермальные тепловые насосы. Так в 6 городах (Н.Новгород, Пермь, Саратов, Ростов-на-Дону, Краснодар, Махачкала) из 10 проанализированных эффективнее прокладывать грунтовый теплообменник, так как глубина промерзания почв расположена выше этой величины. В остальных городах подойдут тепловые насосы других типов.

Результатом установки теплового насоса будет полное покрытие потребности здания в ГВС и тепле; обеспечение пассивного кондиционирования, с одновременным выполнением функций энергосберегающего вентиляционного комплекса. Тепловой насос выступает незаменимой системой отопления в условиях ограничения электромощности. Теплонасосные технологии, конечно, имеют многообещающее, блестящее будущее в свете объявленного мирового энергетического кризиса.

МГД-генераторы

Природа нам приготовила несметное количество электроэнергии. Огромная ее часть сосредоточена в мировом океане. В Мировом Океане скрыты колоссальные запасы энергии. Пока что люди умеют использовать лишь ничтожные доли этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений, так что такая энергетика до сих пор казалась малоперспективной.

Однако происходящее весьма быстрое истощение запасов ископаемого топлива, использование которого к тому же связано с существенным загрязнением окружающей среды заставляет ученых и инженеров уделять все большее внимание поискам безвредных источников энергии, например энергии в Мировом океане. Океан позволяет использовать несколько различных видов энергии: энергию приливов и отливов, океанских течений, термальную энергию, и др. Заманчивой становится перспектива – поставить такое устройство в природный нескончаемый поток естественных морских течений и получать в результате недорогую электроэнергию из морской воды и передавать ее на берег.

Одним из таких устройств может стать генератор, в котором используется магнитогидродинамический принцип. Это и стало моей темой исследования: «Современные перспективы применения МГД-генераторов».

1) Анализ сферы на сегодня.

Первые МГД-генераторы использовали в качестве рабочего тела электропроводные жидкости (электролиты). В настоящее время применяют плазму, в которой носителями зарядов являются в основном свободные электроны и положительные ионы. Под действием магнитного поля носители зарядов отклоняются от траектории, по которой газ двигался бы в отсутствие поля. При этом в сильном магнитном поле может возникать поле Холла (см. Эффект Холла) — электрическое поле, образуемое в результате соударений и смещений заряженных частиц в плоскости, перпендикулярной магнитному полю.

МГД–генератор – это энергетическая установка, в которой тепловая энергия рабочего тела (электролита, жидкого металла или плазмы) преобразуется непосредственно в электрическую. Впервые идея использования жидкого проводника была выдвинута Майклом Фарадеем в 1832 году. Он доказал, что в движущемся проводнике, находящемся под действием магнитного поля, возникает электрический ток. В 1832 году Фарадей с помощниками спустил с моста Ватерлоо в воду реки Темза два медных листа. Листы были подключены проводами к гальванометру. Ожидалось, что воды реки, текущей с запада на восток, — движущийся проводник и магнитное поле Земли создадут электрический ток, который зафиксируется гальванометром. Опыт не удался. К возможным причинам неудачи причисляют низкую электропроводность воды и малую величину напряженности магнитного поля Земли. В дальнейшем, в 1851 году английскому учёному Волластону удалось измерить ЭДС, индуцированную приливными волнами в Ла-Манше, однако отсутствие необходимых знаний по электрофизическим свойствам жидкостей и газов долго тормозило использование описанных эффектов на практике.

В последующие годы исследования развивались по двум основным направлениям: использование эффекта индуцирования ЭДС для измерения скорости движущейся электропроводной среды (например, в расходомерах) и генерирование электрической энергии. Хотя первые патенты на генерирование электричества МГД-генератором с применением ионизированного газа энергии были выданы ещё в 1907—1910 гг., описанные в них конструкции были на практике нереализуемы. Тогда не существовало материалов, способных работать в газовой среде при температуре 2 500-3 000 °C.

3) Принцип действия.

Принцип работы МГД-генератора, как и обычного машинного генератора, основан на явлении Магнитогидродинамического эффекта — возникновение электрического поля и электрического тока при движении электропроводной жидкости или ионизированного газа в магнитном поле.

Магнитогидродинамический эффект основан на явлении электромагнитной индукции, то есть на возникновении тока в проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля. В данном случае, проводниками являются электролиты, жидкие металлы или ионизированные газы (плазма). При движении поперек магнитного поля в них возникают противоположно направленные потоки носителей зарядов противоположных знаков. На основе магнитогидродинамического эффекта созданы устройства — магнитогидродинамические генераторы (МГД–генераторы), которые относятся к устройствам прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.

В качестве рабочих тел в МГД-генераторах могут использоваться:

• инертные газы с присадками щелочных металлов (или их солей);

• жидкие металлы и электролиты.

4) Преимущества МГД–генераторов.

1)Очень высокая мощность, до нескольких мегаватт на не очень большую установку,

2)При более высоком к.п.д. МГД-генераторов существенно уменьшается выброс вредных веществ, которые обычно содержатся в отработанных газах,

3) Большой успех в технической отработке использования МГД – генераторов для производства электрической энергии был достигнут благодаря комбинации магнитогидродинамической ступени с котельным агрегатом. В этом случае горячие газы, пройдя через генератор, не выбрасываются в трубу, а обогревают парогенераторы ТЭС, перед которыми помещена МГД – ступень. Общий КПД таких электростанций достигают небывалой величины – 65%.

5) Недостатки МГД–генераторов.

6) Необходимость применения сверх жаропрочных материалов. Угроза расплавления. Температура 2000 – 3000 К. Химически активный и горячий ветер имеет скорость 1000 – 2000 м/с.

7) Генератор вырабатывает только постоянный ток. Создание эффективного электрического инвертора для преобразования постоянного тока в переменный.

8) Среда в МГД-генераторе с открытым циклом – химически активные продукты сгорания топлива. В МГД-генераторе с замкнутым циклом – хотя и химически неактивные инертные газы, но зато очень химически активная примесь (цезий).

9) Несмотря на то, что генерируемая мощность пропорциональна квадрату индукции магнитного поля, для промышленных установок требуются очень мощные магнитные системы, гораздо более мощные, чем опытные.

Из списка, представленного выше, видно, что имеется целый ряд проблем, который еще необходимо преодолеть. Данные трудности решаются различными способами. Несмотря на заманчивые перспективы бурное развитие исследований в области МГД-генераторов устройства на их основе так и не нашли широкого промышленного применения вплоть до настоящего времени.

Утепление дома.

Актуальность

В настоящее время основные источники энергии являются не возобновляемыми. Топливо при использовании переходит в энергию, которая в дальнейшем используется в различных сферах деятельности. Но с каждым годом на бытовые нужды расходуется все больше и больше электроэнергии, природного газа, тепла и воды. А между тем, многие месторождения в обжитых местах уже исчерпаны, а новые приходится искать в труднодоступных районах.

Целью моей работы является нахождение экономичного способа сохранения тепла в доме.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Изучение различных систем отопления и вариантов сохранения тепла

2. Выявление преимуществ и недостатков найденных вариантов

3. Разработка плана по проведению эксперимента

4. Оценка правильности выбора

Анализ сферы на сегодняшний день

Как говорилось во вступлении, топливо при переработке переходит в энергию, которая в дальнейшем используется в различных сферах деятельности. Рассмотрим тепловой вид энергии на примере отопления. Отапливаться дома могут различными способами: газом, дровами, углем и т.д. Могут быть использованы печки, водяное отопление. Все зависит от дома. Некоторые вешают под окна конвекторы. В условиях Европейской части России, с конца апреля по начало октября, солнечный коллектор может решить проблему теплой воды.

Из всех отопительных систем радиаторные водяные системы являются наиболее распространенными, особенно в жилых и общественных зданиях.

• Главное преимущество радиаторных отопительных систем – относительная невысокая стоимость системы.

• К минусам можно отнести работу этих систем по определенному отопительному сезону.

Если дом имеет централизованное теплоснабжение, то сроки устанавливают уполномоченные органы (как правило, муниципалитеты). При этом начало отопительного периода устанавливается при среднесуточной температуре за окном ниже +8 градусов в течение пяти суток подряд. Конец - когда среднесуточная температура поднимается выше +8 в течение пяти суток подряд.

С каждым днем люди стараются придумать более эффективный и в то же время экономичный способ отопления своих домов. Например, в Германии сейчас действует такая система отопления: в частных домах — свои котельные, в многоквартирных домах — отдельное газовое оборудование, которое греет воду для батарей. Также на всех батареях установлены вентили с термостатами, ими регулируют температуру в помещении. В гостиной, где семья проводит много времени, отопление включают посильнее, а в туалете — на самый минимум.

• К преимуществам использования термостатов можно отнести экономию тепла в помещении и сбережение материальных средств на обогрев дома.

• К недостаткам ­— необходимость в постоянном отслеживании температуры воздуха. А также при использовании таких батарей нужно учитывать возможность быстрого появления плесени и грибков из-за частой смены температуры.

В Европе одним из основных трендов в развитии жилищного строительства становится создание пассивных домов.

• Основные их преимущества — минимальные затраты на отопление и здоровый микроклимат.

Пассивные дома — это достаточно новый стандарт для жилых строений. Благодаря утеплению и герметизации оболочки здания затраты на отопление в нем ничтожно малы и нет нужды в привычных системах отопления. Тема пассивных домов популярна сегодня в Германии и Австрии. За десятилетие там построено более 16 тыс. таких домов, причем в последние три-четыре года объемы растут очень быстрыми темпами. Требования к эффективности зданий в Германии постоянно ужесточаются, все чаще можно услышать, что через несколько лет пассивные дома могут стать обязательным общегерманским стандартом. Другие дома строить не будут вовсе.

Достигается снижение потребления энергии в первую очередь за счет уменьшения тепловых потерь здания.

Технология пассивного дома предусматривает эффективную теплоизоляцию всех ограждающих поверхностей: не только стен, но и пола, потолка, чердака, подвала и фундамента. В пассивном доме формируется несколько слоёв теплоизоляции — внутренняя и внешняя. Это позволяет не выпускать тепло из дома. Также производится устранение «мостиков холода» в ограждающих конструкциях. В результате в пассивных домах тепловые потери через ограждающие поверхности в 20 раз ниже, чем в обычных зданиях.

Теплоизоляция — это один из наиболее экономичных и эффективных вариантов сохранения тепла.

Теплоизоляция (Тепловая изоляция) — это элементы конструкции, уменьшающие процесс теплопередачи и выполняющие роль основного термического сопротивления в конструкции. Также термин может означать материалы для выполнения таких элементов или комплекс мероприятий по их устройству.

Различают три вида утепления стен: наружное, внутреннее, и изоляция, выполненная внутри стены.

По технологии необходимо утеплять стены дома снаружи – это будет наиболее правильным вариантом. Внутреннее утепление применяется только тогда, когда невозможно по каким-либо причинам выполнить внешнее. Утеплитель, находящийся снаружи возьмет на себя при морозах отрицательную температуру, не дав ей достигнуть стен дома. Поэтому температура стен и температура внутри дома будут схожими.

При выполненной внутренней теплоизоляции стены, как правило, начинают промерзать. В местах соприкосновения внутреннего утеплителя со стенами начинает образовываться конденсат. Следовательно, в этих местах начнет скапливаться влага, ведущая к появлению сырости, а затем – плесени и грибка, которые не только негативно влияют на здоровье жильцов, но и уменьшают, к тому же, срок службы материала, из которого изготовлены данные стены.

Наружное утепление фасадов решает следующие важные задачи:

• Сохранение и аккумулирование внутри помещений тепла.

• Существенное понижение затрат на отопление здания.

• Улучшение звуковой изоляции.

• Удаление почти всех препятствий, мешающих выведению образующегося на фасадных стенах конденсата. Это служит отличной профилактикой грибка, плесени, а также солевого налета, образующегося со стороны наружных стен не утепленного здания

• Сохранение эксплуатационных характеристик здания, что позволяет намного увеличить его долговечность.

Существующие решения

В таблице представлена теплопроводность различных строительных и теплоизоляционных материалов с их коэффициентом теплопроводности.

№	Материал	К-т теплопроводности Вт/м*К
1	Гипс строительный	0,35
2	Пенобетон	0,3
3	Мипора (жесткий пенопласт)	0,085
4	Стекловата	0,05
5	Вата минеральная легкая	0,045
6	Гернитовый шнур	0,044
7	Вилатермовые трубки	0,04
8	Пенопласт ПС-4	0,04
9	Пенополистирол ПС-Б	0,04
10	Ипорка (вспененная смола)	0,038
11	Пеностекло	0,037
12	Пробковые листы легкие	0,035
13	Каучук вспененный	0,03
14	Полиэтилен вспененный	0,029
15	Пенополиуретановые панели	0,025

Эксперимент

В качестве эксперимента я предлагаю проверить характеристики теплоизоляционных материалов. Целью эксперимента является наглядное сравнение теплопроводности различных материалов. Для проведения измерений:

1. Построим прототип комнаты (уменьшенный). Основные стены сделаем из ПВХ панелей, перегородку — из картона.

2. Проведем 2 эксперимента:

• На половину перегородки прикрепим теплоизоляционный материал – пенополиэтилен. А на второй половине картона вырежем «окошко» и закроем его фольгой. Потом в образовавшуюся комнату поместим 2 сосуда с кипятком. Далее всю конструкцию накроем крышкой из пенополиэтилена. Спустя некоторое время в «комнате» температура повысится. Чтобы лучше увидеть распределение температуры исследуемой поверхности мы воспользуемся тепловизором.

• На перегородку прикрепим утеплитель – пенополистирол. Затем проделаем те же действия, что и в 1 эксперименте. После снятия крышки измерим температуру внутри «комнаты».

1. Сравним полученные температуры и узнаем какой материал является наиболее эффективным.

Вывод

В заключение я хотела бы сравнить характеристики трех разных домов:

1. Дом, построенный в 1990х годах

2. Пассивный дом

3. Дом, построенный в настоящее время (СП 50.13330.2012)

	Дом 1990 годов R (м²Сº/Вт)	Дом 2013 года R (м²Сº/Вт)	Пассивный дом R (м²Сº/Вт)
Стены	1,15	3,15	6,7
Окна и балконные двери	0,20	0,55	1,5
Теплый чердак	1,5	4,7	5,2
Технические подполья	1,9	4,1	6,5

Если рассмотреть жилые дома, построенные до 1991 года, то нужно сказать, что эти дома требуется утеплить приблизительно в 3 раза для того, чтобы они стали соответствовать современным нормам. Также, если сравнить современный дом и пассивный, то видна большая разница в их сопротивлении: примерно 1,5-2 раза.

Заключение

Тепловые потери в жилом здании в основном зависят от разницы температур: в доме и на улице (чем разница больше, тем потери выше) и теплозащитных свойств ограждающих конструкций.

В заключение я хочу отметить, что достигла поставленной цели и нашла экономичный и в тоже время эффективный способ сохранения тепла в доме. Использование теплоизоляционных материалов с высоким сопротивлением поможет препятствовать «утечке» тепла.

Практическая значимость работы заключается в том, что результаты данного исследования могут стать основанием для разработки комплекса мероприятий по сбережению тепла и привлечению общественности к решению этой проблемы.

СВЕТОВОДЫ

Один из видов нетрадиционной энергии является солнечная энергия. К ее преимуществам можно отнести доступность, отсутствие вредных выбросов в атмосферу. Можно использовать солнечный свет, чтобы сократить энергопотребление. Изменение конструкции здания, увеличение окон для большего проникновения света. Этот способ не энергоэффективен, т.к. ведет к потере тепла. Решением могут быть световоды. В настоящее время актуально их использование в многоэтажных жилых домах и торговых центрах.

1. Принцип работы световодов

Весь принцип работы световодов основан на полном внутреннем отражении световых пучков в оптоволокне.

Оптическое волокно — нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света.

Полное внутреннее отражение по существу близко к идеальному, оно позволяет свету распространяться вдоль волокна на большие расстояния с минимальными потерями.

1.1 Световоды на основе оптоволокна

Вся конструкция световода состоит из трех основных элементов:

• Собирающая линза

• Оптическое волокно

• Рассеивающая линза

На крыше дома устанавливается собирающая линза. Световые пучки попадают на неё, преломляются и по оптическому волокну моментально спускаются до второй линзы - рассеивающей, которая установлена, в любом помещении без естественного освещения.

Таким образом, в помещении становится светло, без использования электричества.

Это конструкция довольно проста в том плане, что не происходит никакого преобразования солнечного света, к примеру, как в солнечных панелях. Происходит только его перенос с крыши в какую-либо часть здания.

1.2 Световоды на основе полупрозрачных зеркал

Эти световоды также состоят из трех основных элементов, но вместо оптического волокна используется система полупрозрачных зеркал, при попадании на них света, большая часть проходит сквозь него, а часть отражается и попадет в другую шахту.

1. Существующие решения на рынке

На данный момент конечный вариант на рынке не представлен. Эта технология ещё сырая, не испробованная, и не применяется, по крайней мере, массово.

Однако на рынке мы можем найти некоторые аналоги. К примеру, световые туннели с жесткой трубой.

Здесь используется тот же принцип переноса света, однако, на небольшие расстояния: 1-1,5 метра. Это хороший вариант для частных домов.

Всем известно, оптические волокна широко используются для освещения, в декоративных целях, включая коммерческую рекламу. Поэтому на рынке представлен большой выбор разнообразных оптоволоконных светильников.

Поэтому в нашей конструкции, нет ничего революционного, на рынке уже представлена продукция с похожим принципом работы: переносом света.

1. Экономическая эффективность световодов для жилых домов

Насколько же мы сможем сократить энергопотребление, используя световоды? Для этого сделаем подсчеты, на примере среднестатистической семьи.

В ванной комнате у нас расположено 3 лампочки по 100 Вт каждая. Тариф, на сегодняшний момент, составляет 4,86 рублей за 1 кВт в час.

300 Вт в день => 9000 Вт в месяц.

9 кВт 4,84 = 43,74 рублей в месяц.

Итого получаем: экономия в 43,74 рублей в месяц или 524 рубля в год.

Такой экономический эффект мало кого впечатлит.

Заключение

Плюсы светового туннеля:

• “Бесперебойность” световых туннелей. Даже при отключении электричества, которое иногда случается, световые туннели продолжают «работать».

• Снижение энергопотребления. (Расчёт снижения энергопотребления приведён ниже)

• Долгий срок службы

Минусы светового тоннеля:

• Отсутствие готовых решений на рынке.

• Работать световые туннели будут только в светлое время суток. Причем зимой, светлое время суток значительно сокращается, следовательно, и эффективность будет ниже.

• Реконструкция уже существующих зданий не возможна, так как оптическое волокно придется проводить внутри всех стен, чтобы обеспечить светом все квартиры.

• Дороговизна и сложность установки

• Необходима своевременная чистка от грязи, снега и т.д.

Как мы уже говорили, эта технология еще «сырая», однако, световоды имеют место быть, после некоторой доработки и усовершенствования.

Солнечные панели

Для обитателей Земли Солнце является неисчерпаемым и бесплатным источником энергии. Испокон веков люди использовали энергию Солнца для удовлетворения своих потребностей: выращивания урожая, сушки белья, нагрева воды или просто согревания посредством поглощения солнечной радиации в виде прямых и рассеянных лучей. Невозможно представить жизнь современного дачника без теплицы или летнего душа, являющегося одним из способов использования солнечной энергии, правда, достаточно кратковременного: к утру температура в теплице падает, и бак с водой охлаждается. С развитием науки солнечная энергия стала востребованным источником возобновляемой энергии.

В Европе и других развитых странах, где климатические условия позволяют использовать энергию солнца, разработаны солнечные батареи - полупроводниковый фотоэлектрический генератор, непосредственно преобразующий энергию солнечной радиации в электрическую. Энергия может использоваться непосредственно напрямую или запасаться в аккумуляторных батареях для использования в будущем при необходимости. В Германии часто встречаются энергоэффективные дома, получающие тепло и электричество за счет инсоляции солнечных коллекторов. В России данная технология ещё не нашла распространения и поэтому большое количество крыш и других открытых солнцу поверхностей не используются для получения энергии. И хотя противники гелиоэнергетики как направления альтернативной энергии утверждают, что в России достаточное количество традиционных ресурсов, а установка иных из-за условий климата не рентабельна, развитие этой отрасли в нашей стране уже идет. В городах Крыма и в Сочи можно встретить дома, на крыше которых находятся солнечные панели, снабжающие энергией хозяев дома. В Казани создан автономный экспериментальный дом, показавший практическое применение перспективной технологии. Он не требует подключения к внешним коммуникациям - теплоцентрали и электросети, при этом там есть горячая вода, освещение и все современные бытовые электроприборы.

Проблемы и поиск способа их решения

В наше время тема энергосбережения и развития альтернативных источников энергии как нельзя актуальна. Традиционные источники стремительно иссякают и уже через каких-нибудь пятьдесят лет могут быть исчерпаны, уже сейчас энергетические ресурсы довольно дороги.[1] Анализ сложившейся ситуации заставляет искать новые способы получения энергии, и одним из наиболее перспективных направлений является получение солнечной энергии. Производство солнечных батарей сегодня как никогда актуально, они выступают в качестве источников энергии в широком спектре областей, в том числе в телекоммуникационной, космической отраслях, медицине, связи, микроэлектронике и прочих сферах жизни. Исследования в этой области не прекращаются, так как получение энергии из неисчерпаемого источника очень заманчиво. Начиная в 19 веке, c КПД солнечных батарей 1%, с развитием технологий оно дошло до 19%, а значит мечта Чарльза Фриттса, использовавшего покрытый золотом селен для производства первого солнечного элемента, осуществима.[2] Но наука должна сделать еще много открытий для создания солнечных батарей, способных заменять существующие электростанции.

Цель научной работы - рассмотрение эффективности использования солнечных батарей в Нижегородской области. Определение их способности стать основным источником энергии в данном районе, либо частично заменить традиционные источники энергии, а также оценка рентабельности внедрения технологий гелиоэнергетики.

Задачи исследования:

1.Рассмотрение видов солнечных батарей, определение их преимуществ и недостатков;

2. Рассчёт средней цены на рынке солнечных батарей;

3. Определение суммарного количества солнечной радиации, поступающей на энерговоспринимающие плоскости;

4. По результатам исследования определить способность солнечных батарей обеспечить энергией небольшой поселок в 60 домов в Нижегородской области; Оценить экономическую составляющую данного мероприятия.

Анализ сферы на сегодня

В настоящее время производимые солнечные батареи не могут полностью удовлетворить потребности в энергии, но они стали основным источником энергии для обеспечения искусственных спутников Земли. Пока количество установленных крупномасштабных энергетических фотоэлектрических систем невелико. Большинство усилий направлено на обеспечение с их помощью электроэнергией отдаленных и труднодоступных мест. Мощность ежегодно устанавливаемых солнечных электростанций составляет около 50 мегаватт. Но солнечные батареи обеспечивают лишь около 1 процента всей производимой в настоящее время электроэнергии.

Преимущества и недостатки солнечных батарей

Одно из главных достоинств солнечных батарей - их экологическая чистота. Так же они долговечны, средняя продолжительность их службы 40-50 лет, все это время они не требуют особого ухода, кроме периодического вытирания пыли. Сейчас, на этом этапе производства главными недостатками солнечных батарей является: зависимость от погоды и времени суток, дороговизна конструкции, хотя сейчас их производство растет, что приводит к снижению цен. [3]

Принцип работы

Принцип работы солнечных батарей отличается сравнительной простотой. Сердцем фотоэлемента является кремниевый кристалл. В лаборатории кристаллам придают форму куба и режут на платины толщиной в двести микрон (примерно три-четыре толщины человеческого волоса).

На кремниевую пластинку с одной стороны наносят тончайший слой фосфора, с другой стороны – тончайший слой бора. Там, где кремний контактирует с бором, возникает избыток свободных электронов, а там, где кремний контактирует с фосфором, наоборот электроны в недостатке, возникают так называемые «дырки». Стык сред, обладающих избытком и недостатком электронов, называется в физике p-n переход. Фотоны света бомбардируют поверхность пластины и вышибают избыточные электроны фосфора к недостающим электронам бора. Упорядоченное движение электронов – это и есть электрический ток. Осталось только «собрать» его, проведя через пластину металлические дорожки. Так в принципе устроен кремниевый фотоэлемент.

Мощность одной пластинки - фотоэлемента довольно скромная, ее хватит разве что для работы лампочки карманного фонарика. Поэтому отдельные элементы собирают в системы-батареи. Теоретически можно собрать из элементов батарею любой мощности. Батарею укладывают на металлическую подложку, армируют для повышения прочности и накрывают стеклом. Важно, что солнечная батарея преобразует в электричество не только видимую, но и ультрафиолетовую часть солнечного спектра, поэтому стекло, покрывающее батарею обязательно должно пропускать ультрафиолет. [4]

Виды солнечных панелей

Существуют различные виды солнечных панелей. На сегодняшний день самые надежными и эффективными считаются монокристаллические. Для их изготовления используется кремний, который плавят, а затем кристаллизуют в слитки для дальнейшей работы. КПД составляет 15-17%, производительность за каждые 20-25 лет службы постепенно снижается приблизительно на 20%, срок службы такой системы составляет 40-50 лет. Существуют так же поликристаллические, ленточные, аморфные виды солнечных панелей, главным образом, отличающиеся от монокристаллических способом обработки кремния и как следствие снижение эффективности работы и цены. В своей работе я буду рассматривать монокристаллические панели, так как в погодных условиях России главным критерием является эффективность работы. [3]

Результаты исследования

На территорию Нижегородской области приходится приблизительно 108 солнечных дней, а суммарное количество солнечной радиации составляет 3,6 ГДж/м2, причем минимум приходится на зимние месяцы, когда человеку необходимо наибольшее количество энергии. Современные солнечные панели не способны обеспечить полноценную работу автономного поселка. Но я надеюсь, что в будущем наука сможет усовершенствовать их работу, чтобы установка таких систем была возможна и на территории Нижегородской области.

Освещение улицы

Затраты помещений и жилых домов можно регулировать и уменьшать путем отключения света в пустых помещениях, то уличное освещение должно работать всегда. Это увеличивает затраты усложняет способы экономии на таком освещении.

Уличные светильники используются для освещения дорог, дворов, тротуаров, общественных мест, автостоянок. Иногда уличные светильники используют для освещения фасадов зданий, для рекламного освещения. Основное назначение уличных светильников – обеспечение безопасности перемещения пешеходов, велосипедистов и транспорта.

В моей работе будет рассматриваться проблема освещения улиц местного назначения и дорог с небольшой интенсивностью движения, так как именно в данных местах крупных городов световой поток не соответствует нормам и наблюдается больше всего темных участков. Возможность повышения эффективности источников света, изучение различных видов уличных ламп и их актуальность на данной территории.

По статистике, 20% общего расхода электроэнергии приходится на освещение. При учете факта непрерывного роста цен на электроэнергию, развитие инновационных технологий для увеличения энергоэффективности уличного освещения становится все более актуальной.

Можно выделить несколько главных проблем в уличном освещении крупных городов:

• Малоэффективные источники света

• Непродуктивное размещение осветительных приборов

• Световое загрязнение

К решению данных проблем необходим системный подход, заключающийся в проработке технических и экономических вопросов внедрения новых высокоэффективных источников света, полного и гибкого управления системами освещения.

Главной проблемой является модернизация систем освещения. Наиболее энергоэффективным решением является внедрение светодиодных источников света. Решение данной проблемы тормозится стоимостью светодиодных источников, автоматизированных систем, отсутствием методологии и технических решений высокой построения гибких адаптивных систем автоматизированного управления сложными гибридными комплексами наружного освещения.

Большая роль в освещении отводится на оптимальное размещение уличных светильников. Поддержка необходимого уровня освещённости всей улицы способствует:

• улучшение управления ночным освещением города и ночным движением транспорта

• повышение безопасности пешеходов на улицах

• снижение преступности и страха преступности в ночное время

• повышение привлекательности города

• повышение престижа города

К сожалению, уровень освещенности улиц не всегда соответствует оптимальным критериям.

Проблема энергоэффективности не решается только применением энергосберегающих осветительных приборов. Есть другая проблема, связанная со световым загрязнением неба. Это следствие малограмотной установки светотехнических приборов, и обращенные вверх приборы свето­распределения, которые должны подсвечивать архитектурный объект, паразитно засвечивают небо.

В части установок наружного уличного архитектурного освещения, световой рекламы значительная часть света уходит в небо бесцельно. Эту проблему не так просто решить. Но если будет поставлена целенаправленная задача, вполне можно принять соответствующие меры.

• Для более эффективного освещения данного района необходимо провести анализ размещения ламп, уровень освещенности улицы, выделить темные и труднодоступные для света участки.

• Провести сравнение ламп уличного освещения и найти самый оптимальный вариант для данного района.

• Изучить интенсивность движения на улицах и определить необходимый уровень яркости и освещенности дорог.

Крайне важно иметь хорошо освещенную городскую среду. Уличное освещение должно служить вопросам общественной безопасности. Однако крупномасштабные проекты по внедрению уличного освещения должны выполняться грамотно, потому что важно учитывать вопросы нормирования и энергоэффективности установок уличного освещения.

Заключение

Можно заметить, что стоимость всех используемых человеком энергоресурсов имеет устойчивую тенденцию к росту – именно поэтому сегодня такое значение имеет внедрение энергоэффективных технологий. Новые разработки позволяют не только сократить расходы потребителей, но и уменьшить вредное воздействие на окружающую среду.

В первую очередь современные энергоэффективные технологии подразумевают рациональное использование теплоносителей, в частности применение утилизационных потоков.

При строительстве домов по энергосберегающей технологии применяются современные высококачественные и экологически чистые материалы, которые не несут вреда ни здоровью проживающих в таких домах людей, ни окружающей среде. Дома, построенные по энергосберегающей технологии, абсолютно пожаробезопасны, так как современные материалы не горючи.

Энергоэффективные технологии – это оборудование с высоким КПД, которое предполагает использование общедоступных восполняемых источников энергии. Все рассмотренные технологии приближают нас к более экологичному и выгодному строительству.

Тепловые насосы представляют собой устройства, способные отапливать жилые, производственные и торговые помещения, а также производить нагрев воды. Они обеспечивают эффективное энергосбережение, отопление без газа. Тепловые насосы экологически чистые, экономичные, безопасные для здоровья человека.Источники тепловой энергии окружают нас повсюду, важно научиться использовать их. Современные тепловые насосы используют для своего функционирования так называемые низкопотенциальные источники тепла: землю, грунтовые воды, воздух.

Возросший дефицит ископаемого топлива, а также отрицательное влияние продуктов его сгорания на окружающую среду, подтолкнуло современного человека к поиску альтернативных источников энергии. Одним из таких источников является солнце. В отличие от ископаемого топлива, солнце – это неиссякаемый источник энергии. Главной задачей разработчиков солнечных коллекторов является максимально эффективное преобразование солнечной энергии в электрическую.

Свет – основное условие для создания комфортной среды обитания человека. От освещения зависят масштабы потребления электроэнергии.

Передовые технологии предлагают человечеству принципиально новые пути решения проблемы оптимального освещения помещений. На сегодняшний день, существует огромное количество разнообразных осветительных приборов: оптоволоконные, светодиодные, флуоресцентные, люминисцентные лампы и лампы накаливания и др. Но лавным обстоятельством для нас является экономия денежных средств, в этом нам помогут энергосберегающие системы управления освещением, полые световоды и зенитные фонари.

По проведенным подсчетам, на территории Нижегородской области, можно создать автономный дом, обеспечивающий себя электричеством только благодаря солнечным панелям. Их мощности вполне хватит для обеспечения жителей энергией круглые сутки и в летние, и в зимние время года. Отсутствие подключения к городской электросети нисколько не ограничит потребностей граждан. От солнечной панели может функционировать телевизор, компьютер, радио, холодильник, и, конечно же, все освещение в доме. К примеру, для двухэтажного частного дома, площадью 144 м^2, потребуется всего две панели мощностью 300 Вт, что обойдется в 150 тысяч рублей. Для обеспечения горячей водой, можно использовать солнечный коллектор, показывающий не менее эффективную работу. Он так же позволит частично решить проблему с отоплением, что для северных регионов является важной задачей.

Развитию энергоэффективного строительства до недавнего времени препятствовали низкая стоимость газа и электроэнергии, что позволяло как владельцам частных домов, так и собственникам крупных обьектов не обращать внимання на эффективность отопления.

Вместе с тем в последние годы на внутреннем рынке наблюдается весьма опасная тенденция роста потребления энергоресурсов и увеличенние экспортных обязательств, при не назначитеотном росте их добыче. Что свою очередь может привести к их существенному удорожанию и даже их дефициту.

Как следствие является быстрый рост цен на энергоресурсы и электроэнергию. Этот рост уже заметен: за прошедшее десятилетие электроэнергия подорожала в 4,5 раза, энергоресурсы - более чем в 7 раз.

В условиях энергодефицита возрастут как официальные, так и реальные затраты на подключение к газовым и электросетям. Некоторые альтернативные варианты энергоснабжения сопоставимы по уровню капитальных затрат с технологическим присоединением к сетям.

При современном уровне тарифов сроки окупаемости затрат на внедрение знергосберегающих решений пока ве-лики и составляют около 20 лет. Но надо учитывать, что цены на энергоносители постоянно растут и тарифы даже для населення неуклонно поднимаются. Исходя из прогнозов роста цен и ожидаемой динамики повышения тарифов наиболее вероятно прогнозировать срок окупаемости дополнительных затрат в течение 7 - 10 лет.

Для России пока проблемой остается осознание того, экономия энергии – не просто мода, а насущная необходимость выживания.

Список литературы

1. Тепловой насос — статья из Большой советской энциклопедии (3-е издание)

2. Васильев Г. П., Хрустачев Л. В., Розин А. Г., Абуев И. М. и др. Руководство по применению тепловых насосов с использованием вторичных энергетических ресурсов и нетрадиционных возобновляемых источников энергии // Правительство Москвы Москомархитектура, ГУП «НИАЦ», 2001.

3. Электронный ресурс. Режим точки доступа: http://livescience.ru

4. Электронный ресурс. Режим точки доступа: http://dic.academic. ru/dic.nsf/ enc_physics

5. Электронный ресурс. Режим точки доступа: Ораевский В.Н. Плазма на земле и в космосе. – Киев.Наукова Думка. 1980 г. с. 206

6. Оболенский Н. В. Архитектурная физика. Издательство «Архитектура-С», 2003 год

7. Шахмаев Н.М. Физика. Колебания и волны. Оптика. М: «Высшая школа» 1977 год

8. СП 23-102-2003 Естественное освещение жилых и общественных зданий; пункты 5.04; 5.14

9. СНиП 23-05-95 "Естественное и искусственное освещение"

10. СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03 «Гигиенические требования к естественному, искусственному и совмещенному освещению жилых домов и общественных зданий»

11. «Жилые дома с автономным, солнечным теплохладоснабжением». Автор: С. Танака, Р. Суда

12. «Альтернативная энергетика без тайн». Автор: Стэн Гибилиско / Stan Gibilisco

13. «Солнечная энергетика». Автор: Умаров Г. Я., Ершов А. А.

14. http://www.gazeta.ru/science/2013/02/11_a_4961045.shtml

15. http://energosberejenie.org/stati/istoriya-sozdaniya-solnechnykh-batarej

16. http://svetdv.ru/sun/index.shtml

17. http://energomir.net/alternativnaya-energetika/princip-raboty-solnechnoj-batarei.html

18. http://www.electromontaj-proekt.ru/nashi-stati/proektirovanie/naruzhnoe-osveshchenie/

19. http://www.ekom.kiev.ua

20. http://ru.wikipedia.org

21. http://enargys.ru/ulichnoe-osveshhenie/

22. http://www.fundamental-research.ru/ru/issue/index

23. http://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=5992

24. http://itl-light.ru/articles/article/induktsionnye-istochniki-sveta-osnova-sistemy-ulichnogo-osveshheniya.html

25. http://www.vrn-business.ru/offers/list/2015/07/modernizatsiya-gorodskogo-osveshcheniya

26. http://indeolight.com/obekty-osveshheniya/naruzhnoe/ulichnoe/ulichnoe-osveshhenie-na-stolbah.html

Код для цитирования: Скопировать