ПРОБЛЕМЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ

I Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

ПРОБЛЕМЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ

Шманин Александр Владимирович 1
1
Якушева Е.В. 1
1
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение…………………...…………………………………………………………3

Глава 1. Из истории использования солнечной энергии…………...……………..4Глава 2. Области применения фотоэлектрических устройств……...…………….6Глава 3. Преимущества и недостатки использования солнечной энергии………9Глава 4. Опытный образец солнечной батареи…………………………………..11Заключение….………………………………………………………………………12Список источников и литературы ………………..……………………………….13Приложения Приложение I. Этапы работы над созданием солнечной батареи………...….16 Приложение II. Зависимость напряжения от количества соединенных транзисторов …………………………………………………………………….17 Приложение III. Возможные области применения солнечных батарей……..18

Введение

В настоящее время приблизительно 60% всей энергии на Земле вырабатывается на тепловых электростанциях (ТЭС) при сжигании углеводородного топлива, 17% - на атомных электростанциях (АЭС), 17-20% на гидроэлектростанциях (ГЭС) и сравнительно немного на всех других типов электростанций. На ТЭС – основе энергетики, используются не восполняемые первичные источники энергии – уголь, газ, нефтепродукты, причем этот расход очень быстро растет из года в год, соответственно растет и потребление энергии.

Запасы углеводородного топлива не возобновляются, и их может хватить на 50-100 лет по пессимистическим расчетам или на 200-300 лет по расчетам оптимистическим.

В настоящее время все большее внимание привлекают возобновляемые источники энергии (ВИЭ), такие как энергия Солнца, ветра, приливов и отливов. В своей работе я хотел бы рассмотреть только использование солнечной энергетики [3].

Цель моей работы – изучить способы преобразования солнечной энергии в электрическую.

Задачи:

  1. Изучить литературу, в которой освещена история использования солнечной энергии;

  2. Раскрыть области применения устройств, работающих за счет энергии Солнца;

  3. Изучить преимущества и недостатки использования солнечных электростанций;

  4. Собрать установку, в которой солнечная энергия преобразуется в электрическую.

Вопрос перехода с традиционных источников энергии на альтернативные является очень актуальным как на уровне государств, так и на уровне частных лиц. Уже сейчас в некоторых домах устанавливаются садовые фонари, работающие на солнечных батареях, в которых в течение светового дня происходит накопление энергии, а ночью она расходуется для освещения.

Глава 1. Из истории использования солнечной энергии

Все началось с Альберта Эйнштейна, который был удостоен в 1921 году Нобелевской премии за объяснение законов внешнего фотоэффекта. Еще в 1905 году он опубликовал работу, в которой описал как именно и в каких количествах кванты света «вышибают» из металла электроны. Получить электрический ток с помощью фотоэффекта впервые удалось советским физикам в 30-е годы прошлого века. Произошло это в Физикотехническом институте, руководил которым знаменитый академик А.Ф. Иоффе. Правда, КПД тогдашних солнечных сернисто-талиевых элементов еле дотягивал до 1%, то есть в электричество обращался лишь 1% падавшей на элемент энергии, но задел был положен. В 1954 году американцы Пирсон, Фуллер и Чапин запатентовали первый элемент с приемлемым (порядка 6%) КПД. А с 1958 года кремниевые солнечные батареи стали основными источниками электричества на советских и американских космических аппаратах. В конце 70-х – начале 80-х гг. в разных странах мира было построено семь пилотных солнечных электростанций (СЭС) так называемого башенного типа с уровнем мощности от 0,5 до 10 МВт. Самая крупная СЭС мощностью 10 МВт была построена в Калифорнии. Все СЭС построены по одному принципу: поле размещенных на уровне Земли зеркал-гелиостатов, следящих за Солнцем, отражает солнечные лучи на приемник-ресивер, установленный на верху достаточно высокой башни; ресивер представляет собой по существу солнечный котел, в котором производится водяной пар, направляемый затем в паровую турбину (рис. 1) [1]. Рис. 1. Современная солнечная электростанция Несмотря на то, что принцип преобразования солнечной энергии в электрическую известен уже более 100 лет, технологии на его основе получили широкое распространение только в течение последних десятилетий, пройдя сложный путь от использования на космических объектах до массового применения на Земле. Сейчас фотоэнергетика – вполне реальный, развивающийся быстрыми темпами сектор энергетического рынка планеты с огромными возможностями для дальнейшего роста в недалеком будущем. Всплеск интереса к фотоэнергетике, наблюдающийся во всем мире, обусловлен снижением стоимости (по сравнению с 1981 г.) оборудования фотоэлектрических систем (ФЭС) до уровня экономической жизнеспособности энергетических проектов. Одним из лидеров практического использования энергии Солнца стала Швейцария. Здесь построено примерно 2600 гелиоустановок на кремниевых фотопреобразователях мощностью от 1 до 1000 кВт и солнечных коллекторных устройств для получения тепловой энергии. В планах Швеции на 2020 год – полностью отказаться от углеводородного топлива. В Германии на протяжении нескольких лет функционирует государственная программа «100000 солнечных крыш». В США запущен аналогичный проект – «Миллион солнечных крыш» [7]. В 1996 году Министерством науки и технологий РФ в рамках федеральной научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения», подпрограммы «экологически чистая энергетика» начал реализацию проект «Создание высокоэффективных кремниевых фотопреобразователей и модулей и развертывание их опытно-промышленного производства» [1.132]. Глава 2. Области применения фотоэлектрических устройств

1. Солнечная батарея (фотоэлектрический генератор, преобразующий энергию солнечного излучения в электрическую) впервые была использована в 1958 году на «Спутнике-3». С тех пор на всех космических аппаратах, кроме транспортных космических кораблей с малым ресурсом самостоятельного полета, первичными источниками электроэнергии являются солнечные батареи (рис. 2) [2.3]

Рис. 2. Использование солнечных батарей на МКС

2. Солнечный водонагреватель (рис. 3). Предназначен для производства горячей воды путём поглощения солнечного излучения, преобразования его в тепло, аккумуляции и передачи потребителю.

Рис.3. Солнечный водонагреватель

3. Солнечный коллектор (рис. 4) — устройство для сбора тепловой энергии Солнца, переносимой видимым светом и ближним инфракрасным излучением. В отличие от солнечных батарей, производящих непосредственно электричество, солнечный коллектор производит нагрев материала-теплоносителя

Рис.4. Солнечный коллектор

4. Фотоэлемент (рис.5) — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Столетов в конце XIX века.

Рис. 5. Фотоэлемент

5. Электромобили, солнцемобили, солнечные велосипеды, электромоторные суда с солнечными батареями – все эти экологически чистые транспортные средства появились всего 15-20 лет назад (рис. 6).

Рис.6. Солнцемобиль

Солнечные батареи небольшой мощности на обычных автомобилях кондиционируют воздух в салонах и подзаряжают пусковые аккумуляторы на стоянках, питают радио- и телеаппаратуру. Солнечные элементы устанавливают на пленочную гибкую основу и размещают либо на крыше автомобиля, либо на стекла в качестве тонирующей пленки [2.80].

6. Использование солнечных батарей в жилых домах (рис. 7) [5.72]

Рис. 7. Принципиальная схема преобразования солнечной энергии в электрическую и использование последней в жилом доме

Глава 3. Преимущества и недостатки использования солнечной энергии

Солнечная энергия может стать главным источником электроэнергии из-за многочисленных экологических и экономических преимуществ и доказанной надежности.

1. Топливо свободно. Солнце – единственный ресурс, приводящий в действие солнечные батареи, - вечный источник света. Кроме того, солнечные батареи изготовлены из кремния, а кремний - богатый и нетоксичный ресурс, второй по количеству материала на Земле.

2. Нет отходов. Горение естественных ресурсов для энергии может создать дым, вызвать кислотный дождь, загрязнить воду и воздух. Солнечная энергия использует только питание солнца как топливо. Это не создает вредного побочного продукта.

3. Большой срок службы. Предполагаемое время жизни солнечных батарей - 30 лет.

4. Солнечные батареи могут быть переработаны и поэтому материалы, используемые в производственном процессе (кремний, стекло, алюминий, и т.д.), могут быть снова использованы.

5. Система не требует особого обслуживания. Солнечные модули работают автоматически и легки в установке.

6. Электричество в отдаленных сельских районах. Солнечные системы дают дополнительную помощь сельским районам (особенно в местах, где другое электричество недоступно).

7. Модули могут быть эстетически вставлены в здания. Системы могут покрывать крыши и фасады, содействовать уменьшению энергетических затрат здания. Они не производят шум и могут быть интегрированы разными эстетически приемлемыми способами [8].

Наряду с несомненными достоинствами солнечная энергетика имеет и недостатки.

  1. Солнечные электростанции занимают большую площадь.

  2. Нестабильность вырабатываемой энергии, на что, главным образом, влияет погода, время суток, сезон, хотя эта проблема частично решается при помощи аккумулирующих батарей.

  3. Солнечные установки имеют относительно низкий КПД, что можно решить только установкой большого количества модулей.

  4. Солнечные батареи способны производить только постоянный ток, поэтому для его преобразования требуются дополнительные приборы.

  5. Энергию, вырабатываемую солнечными батареями, проблематично использовать для устройств и оборудования, которое требует большой мощности.

  6. Уменьшение отражательной способности Земли. Приемники солнечного излучения делаются так, чтобы максимально поглощать и перерабатывать в другие виды энергию излучения, а не отражать ее. Поэтому при массовом использовании солнечной энергии может несколько уменьшится отражательная способность Земли, а это уже может спровоцировать глобальное изменение климата. Правда, вероятность такого развития событий по современным оценкам очень невелика, но пренебрегать ею не следует.

  7. Затемнение больших площадей вредно влияет на животный и растительный миры и может привести к изменению климата.

  8. Большие проблемы возникают при очистке воспринимающих излучение поверхностей от снега, пыли, песка, других загрязнений. Ведь у мощных электростанций площадь поверхностей может достигать сотен квадратных километров.

  9. Стоимость постройки и эксплуатации солнечных электростанций получается очень высокой [9].

Глава 4. Опытный образец солнечной батареи

Для изготовления опытного образца солнечной батареи я воспользовался кремниевыми транзисторами из старых радиотехнических устройств (телевизоров, радиоприемников, магнитофонов и т.д.). Их основным элементом является кремниевый кристалл, который имеет свойства полупроводника, то есть при освещении становится электропроводным. Кристалл кремния находится внутри радиодеталей – транзисторов, поэтому первоначально его нужно было вскрыть (КТ819, КТ812, КТ808, КТ805, КТ630, КТ801 и т.д.) [10]. При вскрытии транзистора я пользовался ножовкой по металлу, пилил, стараясь не повредить кристалл кремния. Всего было заготовлено 25 транзисторов. Затем я начал соединять транзисторы: пять штук соединял в ряд последовательно, а ряды – параллельно. Транзисторы укреплял на платформе из ДВП по схеме (ПРИЛОЖЕНИЕ I).

После сборки каждого ряда я измерял напряжение с помощью мультиметра (ПРИЛОЖЕНИЕ II). Данные занес в таблицу 1:

Таблица 1

Зависимость напряжения от количества транзисторов

Количество транзисторов

5

10

15

20

25

Напряжение, В

0,46

0,91

1,58

2,00

2,37

Таким образом, напряжение, получаемое на транзисторах при освещении их светом от лампы накаливания, зависит от количества транзисторов, т.е. кристаллов кремния: чем больше кристаллов, тем больше напряжение.

Полученного напряжения было достаточно, чтобы заработал калькулятор и засветились три маломощных светодиода, соединенных параллельно (ПРИЛОЖЕНИЕ III).

В перспективе солнечные батареи можно устанавливать на крышах многоэтажных домов для накопления солнечной энергии и в последующем использовать ее для освещения подъездов (или квартир), работы лифта и других целей.

Заключение

Использование альтернативных источников, например, солнечной энергии в последнее время становится весьма актуальным.

Существует множество способов преобразования солнечной энергии в электрическую:

1. Фотоэлементы. Несколько соединенных между собой фотоэлементов образуют солнечную батарею;

2. Гелиоэлектростанции (ГЕЭС). Солнечные установки, использующие высококонцентрированное солнечное излучение в качестве энергии для приведения в действие тепловых и др. машин;

3. Солнечные коллекторы (СК). Солнечные нагревательные низкотемпературные установки.

Несмотря на все преимущества солнечная энергетика не может заменить традиционную тепловую энергетику. В обозримом будущем природное топливо по-прежнему будет важным источником энергии. Однако природные ресурсы ограничены, и человечество будет вынуждено перейти на использование энергии Солнца или каких-либо других источников. Но тем не менее использовать солнечные электростанции имеет смысл, если на первый план ставить стремление сохранить природу и здоровье человека. Теоретически каждое предприятие, здание, жилой дом может иметь свой собственный экологически чистый возобновляемый источник энергии. Затраты на его установку окупятся через несколько лет.

Так же солнечные батареи могут быть с успехом применены для питания маломощных автономных электрических приборов (калькуляторы, часы, диктофоны, фонарики для подсветки в темных местах).

Список источников и литературы

  1. Дорохов А.Ф., Осипова Л.А., Исаев А.П., Махмудова Г.Р. Перспективы использования солнечной энергии// Вестник АГТУ . 2006. №6.

  2. Кравченко А.П., Дуда Д.В., Верительник Е.А. Солнечные элементы питания на автомобильном транспорте. Современное состояние и перспективы использования// Автомобильный транспорт (Харьков, ХНАДУ). 2009. №25

  3. Куксов В., Маргарян А., Толкачева Я. Использование солнечной энергии http://tnu.podelise.ru

  4. Маскин В.Использование солнечной энергииhttp://ommer.ru/uchebny-e-materialy

  5. Помилио А. Большая книга изобретений/ Пер. с итал. Ю. Гавриловой. – М.: ООО «Издательство «РОСМЭН-ПРЕСС», 2004

  6. Физика и астрономия: Учеб. для 8 кл. общеобразоват. учреждений/ А.А. Пинский, В.Г. Разумовский, Н.К. Гладышева и др.; Под ред, А.А. Пинского, В.Г. Разумовского. – 4-е изд. – М.: Просвещение, 2000

  7. Энергия солнца на 60-й широте. http://www.npp-kvant.ru

  8. http://www.solarbat.info/

  9. http://solnce-generator.ru/

  10. http://e-science.ru

ПРИЛОЖЕНИЕ I. Этапы работы над созданием солнечной батареи
 

Внешний вид транзистора КТ803А

 

Условное обозначение транзистора в схеме

Вскрытие транзистора для освобождения кремниевого кристалла

Кремниевый кристалл готов к улавливанию света

Укрепление вскрытого транзистора на ДВП

Соединение транзисторов в электрическую цепь

 

Схема электрической цепи

ПРИЛОЖЕНИЕ II. Зависимость напряжения от количества соединенных транзисторов

   
   
 

ПРИЛОЖЕНИЕ III. Возможные области применения солнечных батарей

Калькулятор работает от солнечной батареи, изготовленной из транзисторов

Свечение светодиодов

17

Просмотров работы: 1358