I Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
«ЭКОНОМИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА В ТЁМНОЕ ВРЕМЯ СУТОК С ПОМОЩЬЮ ФОНАРЕЙ НА СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕЕ»
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Цель: научиться экономить электричество с помощью фонарей на солнечной батареи улицы и квартиры.
Задачи работы:
-
Выявить ресурсы снижения энергопотребления в квартире и на улице.
-
Оценить значимость экономии семьи и района в целом.
-
Определить способы получения электроэнергии, используемые в России на данный момент.
-
Ознакомиться с историей солнечной энергии.
-
Изучить строение и действие солнечной батареи.
-
Изучить европейскую политику в сфере солнечной батареи.
-
Провести эксперимент использования солнечной батареи в домашних условиях.
-
Провести сравнительный анализ в использования электроэнергии и солнечной батареи.
Актуальность.
В наши дни проблема энергосбережения становится все более актуальной. Благополучие человечества в будущем во многом зависит от эффективного использования природных ресурсов. В наше время тема развития альтернативных способов получения энергии как нельзя более актуальна. Традиционные источники стремительно иссякают и уже через каких-нибудь пятьдесят лет могут быть исчерпаны. И уже сейчас энергетические ресурсы довольно дороги и в значительной мере влияют на экономику многих государств.
Всё это заставляет жителей нашей планеты искать новые способы получения энергии. И одним из наиболее перспективных направлений является получение солнечной энергии. И это вполне естественно. Ведь именно Солнце даёт жизнь нашей планете и обеспечивает нас теплом и светом. Солнце обогревает все уголки Земли, управляет реками и ветром. Его лучи выращивают не менее одного квадриллиона тонн всевозможных растений, которые, в свою очередь, являются пищей для животных.
Таким образом, мы уже используем солнечную энергию в своих нуждах и все традиционные источники энергии (нефть, уголь, торф) появились на земном шаре благодаря Солнцу.
Человек с самых древних времён учился пользоваться дарами Солнца. Даже простой костёр, который согревал наших предков тысячи лет назад и продолжает это делать теперь, является по сути дела использованием солнечной энергии, которую накопила древесина. Но Солнце способно удовлетворять и более масштабные потребности человека. По подсчётам учёных, человечество нуждается в десяти миллиардах тонн топлива. Если высчитать количество таких условных тонн, которые предоставляются Солнцем в течение года, мы получим фантастическую сумму – около ста триллионов тонн. Таким образом, люди получают количество энергии, превышающее необходимые ресурсы в десять раз. Нужно только взять это энергетическое богатство. Вот этот вопрос и является крайне актуальным для науки.
Солнечная энергетика открыта уже довольно давно. Но ее долго не рассматривали в качестве крупного источника энергии из-за дороговизны производства. Время шло, и технологии развивались. Солнечные панели подешевели и стали серьезным источником энергии. В прошлом году во всем мире суммарная мощность солнечных электростанций превысила 20 гигаватт! И этот показатель с начала нынешнего века удваивается. В стороне только Россия.
Как работают солнечные батареи.
Современная солнечная батарея представляет собой соединение фотоэлементов, которое может преобразовывать солнечное электромагнитное излучение в электрическую энергию. Ее основными составляющими являются фотоэлементы, от количества которых зависит вырабатываемое напряжение и сила тока. Устройство солнечной батареи основано на явлении внутреннего фотоэлектрического эффекта, которое впервые было открыто ученым Эдмондом Беккерелем еще в 1839 году. В 1873 году другой ученый Уиллоуби Смит заметил такой эффект во время облучения солнечным светом пластины селена. Наибольшее распространение солнечные батареи получили, начиная с середины двадцатого века.
Виды солнечных батарей и их предназначение:В настоящее время используется несколько разновидностей солнечных батарей. Все они отличаются длительным сроком эксплуатации, который зачастую превышает 30 лет. Это достигается за счет отсутствия в конструкции механических компонентов и расходных частей.
Наиболее распространеннымматериалом для изготовления солнечных панелей является кристаллический кремний. Монокристаллический кремний изготавливается по методу Чохральского или тигельным способом. Более простым для изготовления считается поликристаллический кремний, который по структуре представляет собой совокупность кристаллов. Также в качестве материала для изготовления фотоэлементов может использоваться ленточный кремний. Для его производства два тонких слоя кремния накладываются друг на друга. Он более дешевый в изготовлении, но и менее эффективный.
Современное устройство солнечной батареи предусматривает обязательное наличие прочного корпуса, в котором будут размещаться фотоэлементы. Это связано с хрупкостью панелей. Корпус представляет собой коробку небольшого размера с небольшими боковыми ребрами. При этом, ребра не должны мешать солнечному свету попадать на выходы элементов. Размер коробки определяется количеством солнечных элементов. Следующим элементом конструкции является подложка, которая располагается в корпусе прямо на панели. Перед установкой подложки корпус нужно обработать специальными красками, которые имеют стойкость к микроорганизмам и влаге. Кроме того, в корпусе должны быть вентиляционные отверстия, за счет которых будет поддерживаться определенная температура и выводиться газы, которые выделяются при работе батареи в незначительном количестве.
Принцип работы солнечной батареи основан на наличии полупроводника в виде двух пластин, соединенных друг с другом. Каждая пластина изготавливается из кремния с использованием дополнительных примесей. Благодаря этому пластины обладают своими уникальными свойствами. Первая из них имеет избыток валентных электронов, а вторая имеет недостаток этих электронов. Эти полупроводники получили название n и p. Если эти полупроводники соединить в единое целое, то можно получить PN-переход в месте контакта между ними. В то время, когда на батарею попадают прямые солнечные лучи, на обеих сторонах этого перехода начинают накапливаться положительные и отрицательные плавающие нагрузки. В результате генерируется напряжение и возникает магнитное поле. Если подсоединить к такому элементу провод, по нему потечет электричество.
Преимущества и недостатки использования солнечных батарей.
Не смотря на то, что фонари на солнечных батареях успешно используются во многих странах, большинство людей не догадываются о значительной выгоде этого изобретения.
В чем же преимущества световых приборов на солнечных батареях?
Положительные моменты:
- полная независимость от энергоснабжения,
- размещение в любом подходящем месте,
- отсутствие, каких либо подготовительных работ для установки,
- простая конструкция (отсутствие подвижных элементов).
Все эти преимущества делают фонари на солнечных батареях привлекательными для населения.
Недостатки:
- зависимость от погоды и времени суток,
- снижение эффективности от загрязнения солнечной батареи,
- солнечные батареи состоят из полупроводниковых пластин, которые со временем деградируют и теряют свои свойства, в результате КПД солнечных батарей становится меньше.
Опыт европейских стран.
Во многих странах существуют солнечные электростанции, мощность входит в общую установленную по стране.
Каким образом Германии, Италии, Испании удалось широко использовать солнечные батареи?
Германия стоит на первом месте по использованию солнечных батарей, хотя не отличается большим количеством солнечных дней.
Днем житель Германии использует электричество, полученное посредством солнечных батарей. Лишняя электроэнергия отправляется в электросеть, где ею пользуются другие люди. Эту электроэнергию государство оплачивает по повышенному тарифу, выделяются субсидии и снижается плата на другие обязательные коммунальные платы.
Получается, что жителям выгодно устанавливать солнечные батареи.
Использовать в России такие тарифы было бы желательно, чтобы стимулировать жителей России установке солнечных батарей.
Но пока не произошло, я предлагаю начать с малого.
Использование солнечных батарей в быту.
В своей комнате я установил лампу на солнечной батарее. Я изготовил её из садового фонаря и закрепил на плафоне люстры в своей комнате. Благодаря этому изобретению я спокойно перемещаюсь по квартире ночью. Иногда ко мне в комнату вечером могут заходить братья или родители, и они не будут включать свет, когда я сплю. Раньше когда мы с братьями были маленькими, мама всегда включала ночник. Благодаря моей идее, многие родители с маленькими детьми смогут сэкономить в ночное время суток на электричестве, внести вклад в глобальную экономику страны.
Использование солнечных батарей в уличном освещении.
Я и моя семья живет на Бульваре Заречном. В вечернее время, мы любим прогуляться по бульвару. Но, гуляя по бульвару, я заметил, что многие светильники не горят. Я понял, что таким способом экономят городские деньги. Сокращают время освещения и количество осветительных ламп в позднее время.
Но есть и другой вариант – установка светильников на солнечных батареях. Такие фонари не требуют централизованного снабжения электроэнергией. Помимо разового вложения средств, уличные фонари не требуют больше никаких затрат. Высокие прожекторы на солнечных батареях заряжаясь в течение всего дня, могут обеспечить освещение бульвара всю ночь.
Европейская дорога.
Бульвар Заречный.
Заключение.
В результате исследовательской работе я для себя понял, что российскому государству необходимо выходить на новую ступень развития. Иногда полезно брать в пример опыт других государств.
Я установил эффективность внедрения солнечных батарей, как в быту, так и городских масштабах.
Хороший результат достигается там, где каждый житель вносит свой вклад в общую «копилку экономии».
7