Исследовательская работа «Солнечные фасады: архитектурное решение и забота об окружающей среде»

ХIII ГОРОДСКАЯ МЕЖШКОЛЬНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ
«ПЕРВЫЕ ШАГИ В НАУКУ»
Секция экология
«Солнечные фасады: архитектурное решение и забота об окружающей среде»
Выполнил: Саплинова Арина
ученик 3 «А» класса
Гимназии «Перспектива»
Советского района г.Самары
Руководитель:
Картавенко Елена Дмитриевна
Самара, 2016 год
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………..3
1.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ……………………………………………………4
1.1 СОЛНЕЧНЫЕ ФАСАДЫ И ИХ ВИДЫ………………….………………….4
1.2 СВОЙСТВА, ОСОБЕННОСТИ И ДИЗАЙН СОЛНЕЧНЫХ ФАСАДОВ...………………………………………………………………………5
2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ……………………………………..……………...7
2.1 ПРИНЦИП РАБОТЫ СОЛНЕЧНЫХ ФАСАДОВ
2.2. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ СОЛНЕЧНЫХ ФАСАДОВ………………………………………………….…………..…………8
ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………12
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………...14
ВВЕДЕНИЕ
Вопрос энергоснабжения в наше время очень актуален. С учетом постоянного истощения и уменьшения объемов не возобновляемых полезных ископаемых, таких как нефть, газ и уголь, ученые стали искать новые возможности и пути добычи электроэнергии без ущерба для окружающей среды и пользой для людей.
Одним из них является преобразование солнечной энергии в электрическую.
Производство солнечных батарей на данный момент одна из главных направлений развития современной энергетики.
Применяются солнечные батареи во многих сферах деятельности от использования их в космосе как источника питания космических аппаратов до применения солнечной энергии для автомобилей.
Актуальным на сегодняшний момент является использование солнечной энергии в архитектурных проектах при застройке жилых комплексов и строительстве отдельных жилых домов, нежилых помещений производственного назначения. Совмещение современных облицовочных строительных материалов и солнечных батарей получили свое воплощение в создании солнечных фасадов.
Целью исследования является рассмотрение эффективности применения солнечных фасадов в архитектурных проектах как способ экономии электроэнергии.
Задачи исследования:
Собрать информацию о солнечных фасадах;
Выявить особенности и определить виды солнечных фасадов;
Рассмотреть принцип действия солнечных фасадов;
Рассчитать срок окупаемости использования солнечных фасадов;
Рассчитать экономию электроэнергии при использовании солнечных фасадов.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
СОЛНЕЧНЫЕ ФАСАДЫ И ИХ ВИДЫ
Солнечные фасады – панели для отделки фасада домов со встроенными фотоэлементами. Фотоэлементы представляют собой солнечную батарею, преобразующую солнечную энергию в постоянный электрический ток.
Производство фотоэлектрических элементов развивается в разных направлениях: от встраиваемых минисолнечных батарей в калькуляторы до занимающих крыши автомобилей и зданий.
Ученые разработали несколько видов солнечных фасадов на основе различных строительных материалов:
фасадные панели из электрографического бетона
фасадные панели на базе аморфного кремния
Электрографический бетон - это новый (инновационный) материал представляет собой фотоэлемент, который инженеры интегрировали в фасадные элементы. Основой для изобретения немецких ученых стал один из самых распространенных на сегодняшний день строительных материалов – бетон. Покрытие состоит из нескольких слоев (диоксида титана, органической жидкости, электролита, графита и прозрачной краски), которые способно собирать энергию, поступающую от солнца, и преобразовывать ее в электрическую по принципу фотосинтеза.
Процесс производства электрической энергии не будет наносить ни малейшего вреда экологии.
Фасадные панели на базе аморфного кремния состоят из двух слоёв стеклопластика, а также внутренней части с жёстким вспененным полимером. Верхний прозрачный слой стеклопластика толщиной всего несколько миллиметров защищает от внешних воздействий лист гибкого фотоэлемента производства компании.
Фотоэлементы из аморфного кремния имеют меньший КПД, однако менее зависимы от угла падения солнечных лучей, благодаря чему могут вырабатывать больше энергии утром и вечером, зимой, давая в год (в целом в условиях России) с квадратного метра больше энергии, чем фотоэлементы из более дорогостоящего кристаллического кремния. Солнечные батареи на основе аморфного кремния дешевле, тоньше и могут без повреждений сгибаться, что важно при монтаже гибких стеновых панелей.
1.2.СВОЙСТВА, ОСОБЕННОСТИ И ДИЗАЙН СОЛНЕЧНЫХ ФАСАДОВ
Свойства солнечных фасадов:
высокая надёжность при длительном (до 25—30 лет) ресурсе работы;
высокая доступность сырья и возможность организации массового производства;
приемлемые с точки зрения сроков окупаемости затрат на создание системы преобразования;
удобство техобслуживания;
энергия собирается даже при снижении освещенности как вечером, так и утром, независимо от угла падения солнечного света.
Также есть особенности, которые необходимо учитывать при применении солнечных фасадов:
Особенности строения фотоэлементов вызывают снижение производительности панелей с ростом температуры.
Частичное затемнение панели вызывает падение выходного напряжения за счёт потерь в неосвещённом элементе, который начинает выступать в роли паразитной нагрузки.
До настоящего времени дизайнеры могли использовать для фасадов и крыш зданий только черные или серые солнечные батареи. Установка на крыши и фасады зданий стандартных солнечных батарей для выработки электроэнергии значительно изменяет внешний вид строений, и не всегда в лучшую сторону. На данный момент на рынке широко представлены только тёмные солнечные панели.
Однако теперь, благодаря высокотехнологичной тонкой плёнке, разработчики смогли превратить солнечные энерго элементы в разноцветные панели, предоставляющие большой простор для творчества.

Простая конструкция этого SIS-фотоэлемента (полупроводник-диэлектрик-полупроводник, semiconductor-insulator-semiconductor) имеет еще одно преимущество: благодаря прозрачному внешнему слою, он может быть выполнен в различных цветах и формах. Изменение цвета фотоэлемента можно добиться, изменяя физическую толщину прозрачного проводящего слоя оксида или его показатель преломления. Таким образом, ученым удалось в одной солнечной панели совместить два способа получения солнечной энергии – с помощью кремниевых пластин и с помощью тонкопленочных фотоэлементов.
2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
2.1 ПРИНЦИП РАБОТЫ СОЛНЕЧНЫХ ФАСАДОВ
Каждая система состоит из большого количества элементов, принцип действия которых основывается на внутреннем фотоэффекте. Светит солнце, модуль поглощает солнечные лучи, и преобразует их в постоянный электрический ток. Солнечный модуль состоит из нескольких слоев. Верхний слой с кристаллическим кремнием поглощает солнечные лучи. Оранжевым и зеленым обозначен слой разделения отрицательных и положительных носителей заряда. Скопление отрицательных зарядов условно обозначено оранжевым цветом, положительных – зеленым. Преобразование солнечной энергии в электрическую происходит именно здесь. Нижний слой – основа, на которую крепятся ячейки модуля (рис. 1). Получаемую энергию можно использовать либо напрямую в виде постоянного тока, или же заряжаться ее помощью аккумуляторные батареи для последующего применения. Кроме того, ее можно преобразовать в обычный переменный ток со стандартным напряжением.
Ниже приведена схема солнечной батареи.

Рис. 1 Схема солнечной батареи

Рис.2 Преобразование солнечной энергии в электрический ток
2.2 .ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ СОЛНЕЧНЫХ ФАСАДОВ
Повышение тарифов на электроэнергию, уменьшение запасов традиционных источников энергии, ухудшающаяся экология, - все это вместе способствует тому, что популярность альтернативной энергетики растет.
Солнечная энергетика становится настолько эффективной и дешевой, что в ближайшее время строить новые электростанции на ископаемом топливе станет невыгодно. Цена солнечной энергии продолжит снижаться и дальше. Постепенно солнечная энергетика сделает невыгодным не только строительство традиционных энергоблоков, но и эксплуатацию существующих.
Облицовка фасадов зданий и домов панелями лучше всего производится на южной стороне дома, но также можно дополнительно облицевать восточную или западную стену здания.
В Самарской области применение солнечных фасадов возможно использовать достаточно широко в облицовке зданий и жилых домов, так как наша область считается одной из самых солнечных по количеству солнечных дней:150 дней в год.
Среднегодовая продолжительность солнечного сияния составляет на территории Самарской области порядка 2.000 часов. Больше всего солнца область получает в летнее время, так в течение «летних» месяцев (июнь – сентябрь).
Устанавливать солнечные преобразователи (батареи) в Самарской области выгодно и оправдано.
Сколько стоит отделка дома снаружи фасадными панелями?
Самое правильное и выгодное решение - это отделка панелей фасада строения.
Это объясняется несколькими причинами:
В России большое количество снега в зимний период (с ноября по март) – крыши домов не дают в полной мере задействовать их как дополнительный источник выработки света
Солнечные фасады для дома имеют оптимальный угол установки близкий к 60-90 С°, что дает получать максимально возможную энергию солнца для ее преобразования
Солнечные фасады являются системой энергосбережения, что позволяет экономить на электроэнергии.
Расчет стоимости облицовки дома солнечными фасадами:
Дом 2 этажа, площадью 100м2, среднее потребление на человека – 70кВт на человека, среднестатистическая семья из 4 человек. Потребление света в месяц - 280кВт.
Таблица 1
Срок окупаемости проекта
Потребление света в год Стоимость электроэнергии Стоимость облицовки (100м2) Срок окупаемости проекта
3360 кВт Город 3.44руб./кВт =11558.4 руб./год
Сельские поселения 2.41руб./кВт=8097.6 руб./год 300000 рублей 300 000 руб./ 11558,4 руб./год=25,96 лет в городе
300 000 руб./ 8097,6 руб./год=37,05 лет в сельском поселении
Окупаемоесть – 25-37,05 лет (срок службы 30-35 лет)
Из расчетов видно, что использование солнечных фасадов в городской среде более выгодно, чем в сельской местности, так как окупаемость в сельской местности составляет юолее 37 лет, а срок эксплуатации солнечных фасадов 30-35 лет.
Выработка энергии фасадами с фотоэлементами составляет 15-20% от потребляемой энергии, то есть в год можно сэкономить до ~ 700кВт.
Исходя из таблицы 2 потребления электричества бытовыми системами с системой солнечных фасадов можно бесплатно использовать чайник или утюг – 2 года или 4 года просмотра телевизора.
Таблица 2
Потребление электричества бытовыми системами
Название прибора Объем потребляемой энергии в месяц (кВт) Объем потребляемой энергии в год (кВт) Приблизительная экономия на использовании приборов
Холодильник 20-40 240-480 1-2 года
Телевизор 8-12 96-144 4 года
Компьютер 60 (4 часа в день) 720 10 мес
Стиральная машина 24-36 288-432 1-2 года
Чайник и утюг 25-30 300-360 2 года
Преимущества использования солнечных фасадов:
Таблица 3
Сравнительная таблица использования облицовочных материалов

Из таблицы 3 можно сделать несколько выводов:
Энергетический фасад подходит для всех видов построек
Срок службы по сравнению с другими материалами не уступает – 30 лет (40 лет профнастил – со временем мнется и пробивается, 50 лет натуральный камень – очень тяжелый материал и часто раскалывается в отличие от солнечных фасадов)
Материал ударостойкий, выдерживает все основные погодные катаклизмы
Энергетический фасад помимо своей основной функции облицовочного материала, несет дополнительную функцию выработка электроэнергии.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящее время важной задачей, стоящей перед человечеством, является использование альтернативной энергии, как самого экологичного вида энергии и не требующего вмешательства в естественные процессы, происходящие на планете Земля. Солнечная энергия активно используется при производстве солнечных фасадов.
Проведя исследование, мы выявили, что в настоящее время учеными разработаны два вида солнечных фасадов, наибольшее распространение получили фасадные панели на базе аморфного кремния, они являются гибкими, что является немаловажным при использовании в строительных материалах.
Использование солнечных фасадов в Самарской области оправдано, так как из 365 дней в году - 150 солнечные. На территории РФ законодательно не закреплено право частных домашних хозяйств использовать инверторы при облицовке домов солнечными фасадами, единственным способом использовать накопившуюся энергию является аккумулятор, через накопленную энергию которого будут работать домашние электрические приборы.
Окупаемость затрат составляет 25 лет при сроке службы солнечных фасадов 30-35 лет.
Таким образом, преимуществом использования солнечных фасадов в архитектурных проектах является:
Солнечный фасад заменяет существующий фасад;
Позволяет экономить до 20% электроэнергии помещения;
Современный, экологичный, энергосберегающий дом;
Срок службы - более 25 лет;
Полная бесшумность конструкции;
Не выделяют и не содержат токсичных веществ;
Вертикальное расположение панелей увеличивает выработку энергии в зимний период;
Обслуживание - раз в 5 лет.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
А. Кашкаров. Ветрогенераторы, солнечные батареи и другие полезные конструкции " Пресс, 2011 год, 144 стр.
Харченко Н.В. "Индивидуальные солнечные установки" Энергоатомиздат, 1991 год, 208 стр.,
Большой энциклопедический словарь
А.М.Прохоров.- Сов. энциклопедия, 1991.-768.
Энциклопедия НАУКА/ Сост.Аннабел Крейг, Клифф Росни. М.:Росмэн,1997.-127.