XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Определение условий максимальной активности солнечной батареи
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
От энергетики зависит благополучие всего человечества. И, если не развивать альтернативную энергетику, то это может привести к энергетическому кризису, так как запасы природных ресурсов (уголь, газ, нефть), необходимых для работы традиционной энергетики,с каждым днем уменьшаются. Кроме того, традиционная энергетика наносит экологический вред окружающей среде. Поэтому проблеме возобновляемых источников энергии не только у нас в стране, но и во всем мире уделяется большое внимание, и она становится наиболее актуальной.
Солнечная энергия - один из природных видов энергии. Её главное достоинство - экологическая чистота, полная безопасность для окружающей среды. Для преобразования энергии Солнца в электрическую служат солнечные батареи.
Цель работы: определение условий максимальной активности солнечной батареи
Задачи:
Изучить литературу по теме проекта
Изучить устройство и принцип работы солнечной батареи.
Сделать установку для определения максимальной активности солнечной батареи
С помощью тестовой установки олределить условия максимальной активности солнечной батареи
Методы исследования:
работа с энциклопедиями и справочниками
изучение материалов в сети Интернет
наблюдение
сравнение
эксперименты
обобщение и выводы
Далее нами была изучена и проанализирована литература по обозначенной проблеме, разработаны исходные позиции выполнения работы.
Как солнечные панели генерируют электрический ток?
В последовательно подсоединенных фотоэлементах и преобразуется энергия солнца. Проанализируем принцип работы солнечной батареи на уровне фотоэлектрических элементов. Мы выяснили, что главной составляющей фотоэлемента является кремниевый кристалл. Соединения кремния часто встречаются в природе. Самый известный – это оксид кремния (песок). Поэтому упрощенно кристалл кремния можно представить в виде большой песчинки. В специальных лабораториях выращиваются искусственно кристаллы. Вначале они получаются в форме куба, а затем распиливают на пластины. Толщина этих пластин всего в 3─4 раза толще волоса человека (примерно 200 микрон).
Принцип работы фотоэлемента
На кремниевые пластины с одной стороны наносится слой фосфора, а с другой ─ бора. Там, где кремниевая пластина контактирует с бором образуетя избыток электронов. На границе кремниевой пластины с фосфором, на противоположенной стороне, наблюдается недостаток электронов. Там образуются так называемые «дырки». Такую стыковку границ с избыточным количеством электроном и их недостатком называют p-n переходом.
Солнечный свет попадает на фотоэлементы батареи, поверхность которых бомбардируется фотонами. Фотоны выбивают избыточные электроны на границе с фосфором, и они начинают движение к «дыркам» на границе с бором. Таким образом, возникает электрический ток - упорядоченное движение электронов. Ток собирается через металлические дорожки, которые подводятся к фотоэлементу. В этом и заключается принцип работы кремниевого фотоэлемента.
Выводы перед практической частью
Солнечные панели способны производить электроэнергию, однако чтобы её было достаточно, нужно ставить большие площади солнечных панелей на улице, или располагать их на крыше дома (Приложение 1). А чтобы генерировалось максимальное количество электроэнергии, солнечные панели нужно устанавливать со стороны наибольшей активности солнца. Мы решили собрать экспериментальную установку для определения максимальной активности солнечной батареи (Приложение 2).
Практическая часть
Схема тестовой установки
Используя солнечную панель, контроллер ARDUINO, драйвер заряда, сервомотор и светодиодный индикатора, мы собрали тестовую установку (Приложение 3).
Солнечная панель
Драйвер заряда
Контроллер ARDUINO
Сервомотор
Светодиодный индикатор
Аккумулятор
Определение КПД солнечной батареи
Далее мы установили панель так, чтобы она попадала в максимальную (пиковую) активность солнца в нашей местности. В течение дня производили замеры напряжения, чтобы определить коэффициент полезного действия (КПД) солнечной панели.
|
№ |
Время замера |
Напряжение (В) |
|
8-00 |
2,362 |
|
|
10-00 |
2,761 |
|
|
12-00 |
2,964 |
|
|
14-00 |
2,831 |
|
|
16-00 |
2,536 |
|
|
18-00 |
1,834 |
Из данных в таблице видно, если панель стоит, не меняя своего положения, то максимальный КПД она выдает с 10-00 до 14 -00, а потом КПД падает.
Чтобы повысить КПД установки, мы установили солнечную панель на сервомотор и, используя программу автоматического поиска положения по выходному напряжению солнечной панели, повторили эксперимент. Данные представлены в таблице:
|
№ |
Время замера |
Напряжение (В) |
|
8-00 |
2,714 |
|
|
10-00 |
2,861 |
|
|
12-00 |
2,964 |
|
|
14-00 |
2,856 |
|
|
16-00 |
2,736 |
|
|
18-00 |
2,334 |
По данным таблицы становится видно, что если панель меняет свое положение по отношению к солнцу, то максимальный КПД она также выдает с 10-00 до 14 -00. Но при этом КПД в утренние и вечерние часы значительно повышается. Сравнительные результаты представлены в таблице и графике:
|
№ |
Время замера |
Изменение КПД |
|
|
Напряжение (В) |
% |
||
|
8-00 |
+0.352 |
+ 15% |
|
|
10-00 |
+0.1 |
+4% |
|
|
12-00 |
0 |
0 |
|
|
14-00 |
+0.025 |
+ 0.01% |
|
|
16-00 |
+0.2 |
+8% |
|
|
18-00 |
+0.5 |
+27% |
|
Заключение
В результате проведенной работы мы собрали установку для определения максимальной активности солнечной батареи и сделали выводы:
От положения солнечной панели по отношению к солнцу зависит КПД солнечной панели.
Максимальные КПД у подвижной солнечной панели и панели без изменения положения выдают на временной промежуток с 10-00 до 14 -00.
Однако, если панель меняет свое положение по отношению к солнцу, то максимальный КПД значительно повышается в утренние (до 15%) и вечерние (до 27%) часы.
Установка получилась масштабируемой, и её можно перенести на реальный проект.
Список использованных источников и литературы:
Гулиа, Н.В., Удивительная физика. – М.: «Издательство НЦ ЭНАС», 2005
Жаркова, А. Н., Наука опытным путём/ Журнал «Галилео» - 2011.- №3. С. 9-12
Казаков, Н.А., Энергия «из ничего»/ «Юный эрудит».- 2009. - №10. – С.18-21
Любимов, К.В., Новиков С.М. «Знакомимся с электрическими цепями. Пособие для любознательных юных физиков», М.:«Наука», 2001.
Энциклопедический словарь юного физика. - М.: Педагогика, 2001г
Интернет – ресурсы:
1. https://solar-energ.ru/kak-rabotayut-solnechnye-batarei-printsip-ustrojstvo-materialy.html
2. https://solar-energ.ru/kak-rabotayut-solnechnye-batarei-printsip-ustrojstvo-materialy.ht
Приложение 1
Солнечные панели
Приложение 2
Процесс сборки установки
Приложение 3
Солнечная панель
Драйвер заряда
Контроллер ARDUINO
Сервомотор
Аккумулятор
Светодиодный индикатор
Схема установки