Влияние освещенности солнечной панели на электрическую мощность

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

Влияние освещенности солнечной панели на электрическую мощность

Побегайло А.И. 1
1МБОУ "Лицей №17"
Назаренко О.Г. 1
1МБОУ "Лицей №17"


Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

1. Введение

Тема: «Влияние освещенности солнечной панели на электрическую мощность»

Проблема исследования:

Эффективность использования солнечной панели зависит от её расположения относительно источника света. При этом степень освещенности панели зависит от угла ориентации ее относительно источника света. При установке солнечной панели не всегда этот факт учитывается, что приводит к потерям получаемой энергии.

Актуальность темы исследования:

Сегодня солнечные панели всё чаще используются в самых различных приборах и системах наружного освещения, поэтому тема исследования актуальна.

Степень изученности вопроса:

Хотя производители солнечных панелей дают рекомендации по их использованию, но обычный человек не сможет самостоятельно осуществлять ремонт или решать вопросы по управлению ею. Например, для установки оптимального угла падения солнечных лучей, необходимо периодически изменять положение солнечной панели. Работы в данном направлении ведутся, но автоматизационное управление применялось в основном для солнечных электростанций. Для обычного частного дома (квартиры) управление солнечными панелями остается неизученным.

Цель работы: изучить, как влияет освещенность солнечной панели на ее электрическую мощность.

Задачи исследования:

Изучить источники информации, в которых отражена проблема исследования

Разработать макет, для изучения влияния освещённости солнечной панели на её производительность

Проанализировать полученные данные для дальнейшей разработки системы управления солнечной панели.

2. Освещенность и мощность электрического тока

2 .1. Освещённость - световая величина, равная отношению светового потока, падающего на малый участок поверхности, к его площади.

Ev=ΔФvS

Законы освещённости:

1 ) Освещённость поверхности, создаваемая точечным источником света, обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника.

Ev=Iv/R2

2 ) Освещённость поверхности прямо пропорциональна косинуса угла падения лучей.

Ev=E0*cosφ 

[Приложение 1]

2 .2. Мощность постоянного электрического тока- это величина, которая показывает какую работу совершил постоянный ток по перемещению электрического заряда за единицу времени. 

P=I*U

3. Солнечные панели и способы их установки

Существует несколько разновидностей фотоэлементов для солнечных батарей на основе кремния, которые отличаются между собой строением кристаллов кремния:

1) Монокристаллические. Несомненные плюсы – компактность и эффективность. Монокристаллические модули и по сей день являются уверенными лидерами по показателям мощности, КПД и долговечности. Это отражается и на стоимости: цена их высока. Искусственно выращенные кремниевые кристаллы нарезаются на тонкие пластины. В основу модуля входит очищенный чистый кремний. В данном случае процесс производства наиболее трудоемкий и энергозатратный, что отражается на конечной стоимости солнечной батареи. Но монокристаллические элементы обладают лучшей производительностью, их средний КПД составляет около 22-25%.

2) Поликристаллические. Производятся из кремния, имеющего поликристаллическую структуру. Поликристаллы получаются в результате постепенного охлаждения расплавленного кремния. Метод этот прост, поэтому такие фотоэлементы и стоят недорого. Хотя их технические характеристики, в том числе и производительность ниже. Поликристаллическая солнечная батарея имеет неоднородную поверхность, из-за чего хуже поглощает свет, и её КПД – 12-18%.

3) Аморфные. Состоят из мелкодисперсного кремния, существующего в виде кристаллов. Аморфный фотоэлемент отличается чрезвычайно тонкой плёночной структурой. Главной особенностью таких фотоэлементов является то, что активный элемент на основе аморфного кремния, который имеет толщину всего от 0,5 до 1 мкм обеспечивает фотоэлементу гибкость. Гибкая подложка, применяемая для панели на аморфных фотоэлементах, позволяет монтировать такую солнечную панель на любую поверхность с углами и изгибами, скручивать её и компактно упаковывать. В отличие от поли- и монокристаллических модулей, аморфные не могут выработать большого количества энергии, их эффективность самая низкая (КПД – 7-8%). Износостойкость тончайшей плёнки и срок службы тоже сравнительно невелики. Но и стоимость у них достаточно невысока. При этом аморфные панели обладают ещё одним ценным преимуществом: они могут неплохо работать в условиях не только рассеянного, но и совсем слабого освещения.

Изучив характеристики 3 видов солнечных панелей, я пришёл к выводу, что лучшим вариантом для использования в своём макете будет солнечная панель из поликристаллического кремния.

Принцип работы фотоэлементов, из которых состоит солнечная батарея, основан на фотогальваническом эффекте, который заключается в преобразовании лучистой энергии солнца в электричество с помощью специальных полупроводников.

Фотоэлемент на основе полупроводников состоит из двух очень тонких слоёв с разным типом проводимости, совместно образующих так называемый p-n-переход. К слоям с разных сторон присоединены металлические контакты, которые используются для подключения к внешней цепи. Роль катода играет слой с n-проводимостью, роль анода – слой с p-проводимостью. [Приложение 2]

Эффективность солнечных панелей зависит от:

Угла падения лучей от источника света;

Температуры воздуха и самой батареи

Степени освещённости

Для организации более эффективной работы солнечной панели, необходимо учитывать её расположение относительно источника света. Для максимальной освещенность плоскость панели должна быть перпендикулярной падающему световому потоку. Установленные в частном домовладении солнечные панели можно разделить на две группы: расположенные горизонтально на крыше или вертикально на стене дома.

Первый вариант имеет ряд преимуществ, но при высокой эффективности летом обладают низкой эффективностью в зимний период. Также данные панели подвержены более быстрому загрязнению и сильному нагреву непосредственно от крыши, что также сказывается на их сроке службе и производительности.

Второй вариант вертикального расположения – на стене дома, одинаково эффективен зимой и летом. Срок службы при таком расположении увеличивается, потому что панель менее подвержена внешнему воздействию и загрязнению.

4. Практическая часть

Для изучения влияния освещенности солнечной панели на ее мощность, был создан макет дома, на котором был закреплен фотоэлемент. В качестве источника светы был взят источник – настольная лампа. Прежде чем сделать макет был разработан чертёж на бумаге [Приложение 3], на котором отображен способ размещения панели и способ измерения угла. Выполнив чертёж, я приступил к сборке модели для эксперимента. Выбор пал на материале ДВП, потому что он небольшой толщины и лёгкий, также с ним удобно работать. Под солнечную панель было вырезано отверстие, в котором её закрепили с помощью дверной петли, чтобы обеспечить её вращение. Также с помощью дверной петли была прикреплена табличка с градусами для установки солнечной панели на определенный угол. Два контакта с плюсом и минусом солнечной панели были выведены наружу, чтобы измерять напряжение солнечной панели мультиметром.

После того как макет был полностью готов я приступил к проведению эксперимента: меняя угол наклона солнечной панели относительно источника света, измерял ее выходные характеристики. [Приложение 4]

Проведение эксперимента:

источник света установлен горизонтально на расстоянии 25 см от солнечной панели

измерения данных происходило мультиметром TEK DT-838

измерение производилось при повороте солнечной панели на 00, 300, 450, 600, 900 и 1350.

Проводя эксперимент, полученные данные выносились в таблицы и на график. [Приложение 5 и 6]

5. Заключение

Мне удалось определить, как меняется электрическая мощность солнечной панели при изменении угол её ориентации по отношению к источнику света. При угле в φ=00 электрическая мощность солнечной панели максимальна. Что подтверждает второй закон освещённости, в котором при φ=00 освещенность (Ev)максимальна. Форма графика также подтверждается теорией. В дальнейшем я планирую заменить искусственный источник света на естественный и создать устройство, автоматически регулирующее освещенность солнечной панели.

6. Список литературы:

Четошникова Л.М. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии // Учебное пособие. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2010. - 69 с.

Глиберман А.Я., Зайцева А.К. Кремниевые солнечные батареи // Брошюра. – Госэнергоиздат, 1969. – 72 с.

Учебник для 11 класса школ и классов с углубленным изучением физике – Издательство «Просвещение», 2003. - 432 с.

Учебно-методический стенд «Солнечная энергетика»: http://www.inenergy.education/upload/iblock/3e1/R_UMSE_1.pdf

https://www.sun-battery.biz/stat/princip_raboty_i_ustrijstvo_solnechnoj_batarei.php

https://sovet-ingenera.com/wp-content/uploads/2017/10/rabota-sb.jpg

https://ru.wikipedia.org/wiki/Солнечная_Энергия

7. Приложения

Приложение 1 Освещённость поверхности точечным источником света

Приложение 2 Устройство фотоэлемента на основе полупроводников

 

Приложение 3 Модель стены дома с фотоэлементом и измерителем углов

Приложение 4 Проведение эксперимента

Приложение 5

Таблица зависимости электрических параметров фотоэлемента от угла поворота

φ

Сила тока, мА

Напряжение, В

Мощность, мВт

00

1,25

3,26

4,075

300

1,19

3,15

3,7485

450

1,01

2,87

2,8987

600

0,72

2,72

1,9584

900

0,09

1,58

0,1422

1350

0,05

1,39

0,0695

Приложение 6

График зависимости мощности фотоэлемента от угла поворота

Просмотров работы: 49