XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
LINAV-ЭЛЕМЕНТЫ ДЛЯ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
Получая квитанцию на оплату электроэнергии, бываешь иногда весьма удивлен необходимой для уплаты суммой. Электричество в настоящее время является достаточно дорогим ресурсом, однако, есть способы получать его дешевле.
В каждом развитом государстве существует собственная энергетика. Данная область включает в себя разные виды электростанций. Они могут использовать традиционные и нетрадиционные источники энергии. В первом случае – это природные ресурсы в виде угля, газа, продуктов переработки нефти, ядерное топливо и т.д. Второй вариант предполагает использование энергии природных явлений – солнца, ветра, приливов-отливов, подземных источников тепла.
Возобновляемая энергетика становятся реальной альтернативой при производстве энергии. Ископаемое топливо невечное, и в условиях увеличения населения Земли оно просто когда-нибудь закончится. С увеличением человеческой популяции возрастает и экологическая нагрузка. Солнце и ветер являются самыми распространенными источниками возобновляемой энергии.
Солнечная энергетика — перспективное направление в изучении особенностей Солнца и способов использования его активности в различных сферах. Как источник энергии, Солнце неисчерпаемо. Посылаемые им на Землю мощности позволяют удовлетворить энергетические запросы человечества. При этом такой ресурс является безопасным, не оказывающим на экологию планеты негативного влияния.
В настоящее время солнечные панели уже не являются редкостью, их все чаще можно увидеть в повседневной жизни, технологии производства кремневых солнечных панелей становятся все дешевле. Основные усилия в области ВИЭ направлены на оптимизацию солнечных электрических станций, и их компонентов. [1]
Силикат натрия (жидкое стекло) обладает значительным количеством аморфного кремния, несмотря на то, что большая его часть является связанной с атомами кислорода, данная система, в жидком состоянии, обладает высокой пластичностью и электропроводностью (за счет наличия щелочноземельного натрия), что позволяет изготавливать элементы различной конфигурации, а также захватывать, удерживать, собирать и преобразовывать солнечное излучение в электрический ток.
Практическим результатом данной работы будет являться модель компонента солнечной панели, а именно – разработка и практические испытания солнечной ячейки (LiNav-элемента, от лат. – liberum navitas (свободная энергия)), производство которой возможно не высокотехнологичным способом.
Изготовление солнечных панелей, разработанных по нашему макету, поможет решить проблему негативного воздействия на экологию при производстве электричества и популяризовать альтернативные источники энергии.
Цель данной работы: разработка модели солнечного модуля на основе аморфного кремния, полученного на основе силиката натрия. Практическое испытание полученных модулей и определение их характеристик.
Гипотеза: В условиях детского технопарка «Кванториум» есть возможность разработать солнечные элементы на основе силиката натрия, которые способны захватывать, удерживать, собирать и преобразовывать солнечное излучение в электрический ток.
Исходя из цели работы, сформированы следующие задачи:
– изучить, что такое солнечная энергетика и определить ее виды;
– узнать, о достоинствах и недостатках солнечных батарей;
– установить, какие виды кремниевых батарей существуют;
– разработать модель LiNav-элемента.
Методы:
– теоретический – изучение информации в сети Интернет, справочной литературе, просмотр познавательных передач по выбранной теме;
– практический – наблюдение и беседа;
– экспериментальный - проведение опыта;
– анкетирование;
– обобщение результатов, выводы.
Объект: солнечная ячейка.
Предмет: модель LiNav-элемента.
Глава 1. Солнечная энергетика, ее виды и сферы применения.
Основная цель использования Возобновляемых Источников Энергиии (ВИЭ) — их практическая неисчерпаемость или относительно быстрая возобновляемость, в то время как запас минерального топлива (уголь, нефть и газ) и ядерного (в основном урана) ограничены, восстановлению имеющимися и перспективными технологиями не подлежат, а их запасы подходят к концу. По различным прогнозам, с исчерпанием этих ресурсов человечество может столкнуться уже к концу XXI века. Соответственно, к этому времени необходим переход на ВИЭ, технологии которых требуют комплексного развития уже сегодня.
Самыми распространенными методами производства электроэнергии из Солнца являются:
– Альтернативные теплоэлектростанции, где с помощью поворачивающихся зеркал, «ловят» солнце. В основе работы лежит принцип преобразования солнечной мощности в механическую электроэнергию;
– Солнечные батареи представляют собой набор модулей, собирающих и преобразующих энергию солнца. Уникальность их в том, что такие устройства способны генерировать и аккумулировать активность Солнца для дальнейшего применения. Впервые такие устройства были установлены на спутники, запущенные человеком. Преимуществом была несложная конструкция, длительные сроки эксплуатации, минимальное обслуживание. Сегодня трудно найти настолько результативные устройства, которые бы вырабатывали электричество даже в условиях пасмурной погоды [2].
Для работы электростанций используются полупроводниковые фотоэлементы больших размеров. Стоит отметить, что кремний широко применяется в солнечной энергетике. Ученые верят, что данный элемент станет «нефтью» в 21 веке. Спустя 30 лет из одного килограмма кремния будет вырабатываться ресурс в количестве 75 тонн сырой нефти.
Ежегодно применение данного вида энергообеспечения становится все более популярным. Несколько лет назад оно использовалось для обогрева домов, сегодня появление новых разработок позволяет применять солнечную энергию [3]:
В сельском хозяйстве – для обеспечения светом и теплом животноводческих ферм, парников;
Для снабжения электричеством структур медицинского, общеобразовательного, спортивного назначения;
В космонавтике и авиастроении;
ЖКХ, освещение городских улиц, парковых зон и других объектов;
Для обеспечения электричеством и теплом городов.
Таким образом, в мире наблюдается рост популярности такого источника. Только в Германии уже сегодня 47% жилых домов обустроено солнечными батареями. Китай занимает лидирующие позиции в Азии. Здесь новейшие разработки широко применяются не только при жилищном строительстве, но и промышленными гигантами. В России доля солнечной энергетики в структуре генерирующих мощностей пока остается скромной — всего 0,55% от общей выработки электричества. Но ситуация быстро меняется. Российские солнечные электростанции в 2019 году выработали 1,3 млрд кВт•ч электроэнергии — почти на 70% больше, чем годом ранее. Наибольшую долю в балансе энергосистемы солнечные станции занимают на юге страны, где на них приходится 2,77% установленной мощности [4].
Чтобы глубже окунуться в проблематику альтернативных источников энергии, расширить и углубить свои знания в области современных технологий и экологичных методов получения электричества, мы вместе с Ростиславом Валерьевичем отправились на объекты ООО «АльтЭнерго».
Во время экскурсии, которую провела пресс-секретарь ООО «АльтЭнерго» Ирина Усачева, посетили три площадки:
– Солнечный парк мощностью 100 кВт, который за время своей работы позволили не допустить выбросов углекислого газа в атмосферу на сумму более полумиллиона килограмм;
– Первую в стране биогазовую станцию промышленных масштабов «Лучки», общей мощностью 3,6 МВт. Помимо выработки электрической энергии, станции такого типа позволяют получать тепловую энергию, органические биоудобрения и перерабатывать тонны органических отходов. В настоящее время в стране нет аналогов производства электрической и тепловой энергии по данной технологии в таких масштабах;
– Площадку с 5 ветрогенераторами, суммарной мощностью 100 кВт. Стартовая скорость ветра для их работы - 2,5 м/с, оптимальная скорость ветра - 11,5 м/с.
На сегодняшний день ООО «АльтЭнерго» является одной из передовых компаний России и Белгородской области, которая реализует инновационные проекты в сфере альтернативной и «зеленой» энергетики.
Анкетирование
В рамках выполнения проекта нами был проведен опрос учащихся на уровень их знаний об альтернативной энергии и желание пользоваться альтернативными источниками энергии.
Анкетирование проводилось среди одноклассников, учеников технопарка «Кванториум» и их родителей. Количество участников опроса - 100 человек.
На вопрос, что знакомы ли с альтернативными способами получения энергии большая часть (80%) ответила «ДА».
Следующий вопрос о разновидностях солнечных батарей показал, что 70-ти % опрошенным известны из разновидности.
Далее был задан вопрос: «Хотели бы вы установить у себя дома солнечные панели?». 90% респондентов ответили положительно.
Проанализировав ответы, мы видим, что большинство имеют достаточные знания о солнечных батареях и способах получения альтернативной энергии.
Исходя из результатов анкетирования мы выявили свою целевую аудиторию, которой является современная молодёжь в технологическом обществе.
Глава 2. Достоинства и недостатки солнечных батарей.
Большие перспективы позволяют в данной отрасли внедрять новые разработки, позволяющие максимально сократить цикл преобразования этого ценного ресурса в электроэнергию. Преимуществами солнечной энергетики можно назвать:
– Экономичность и высокий показатель рентабельности. Современные технологии позволяют добиваться экономической стабильности и рентабельности производства. Они позволили сделать Солнце неисчерпаемым источником энергии, который снижает количество выбрасываемого углекислого газа в атмосферу.
– Экологичность. Задействованные в панелях элементы не содержат вредных веществ, не являются источником загрязнений. Кроме того, они не содержат движущихся частей, что позволяет упростить обслуживание. Подобные модули предпочтительнее станций, работающих на воде, а также силе ветра, они не полагаются на турбины, что делает их не склонными к частым поломкам.
– Универсальность является главным преимуществом данного вида энергетики. Системы генерации удобны в применении и используются там, где использование традиционных источников нерационально или невозможно. С ростом потребления электрических ресурсов возникает необходимость модернизации станций. В данном случае эта сфера также имеет выигрышные позиции. Для увеличения мощности станции, рекомендуется добавить пару дополнительных ячеек батарей.
Солнечная энергия имеет и ряд недостатков. Прежде всего, к ним относится высокая стоимость. Приобретение альтернативной электростанции станет затратным мероприятием, которое окупится в долгосрочной перспективе. Количество полученного ресурса зависит от интенсивности излучения. Кроме того, для размещения СЭС необходимы значительные площади [5].
Обобщая вышеизложенную информацию, можно прийти к выводу, что солнечные панели не так давно вошли в нашу жизнь, как альтернативные источники питания. Их легко можно поставить на крышу и черпать электроэнергию света. Солнечная панель намного доступнее и экономичнее по сравнению со строительством новых электростанций.
Глава 3. Виды кремниевых солнечных батарей.
Наиболее распространённым видом солнечных батарей являются панели, работающие на кремнии.
Кремниевые солнечные батареи – это усовершенствованные элементы питания на основе аморфного кремния. К подобным видам относятся тонкопленочные кремниевые солнечные батареи [6,7].
Разница между аморфным и кристаллическим кремнием.
Отличие в том, что аморфным батареям не нужны прямые солнечные лучи. Они отлично собирают рассеянное освещение в тот момент пока солнце закрыто тучами (рис. 1).
а б
Рисунок 1 – Солнечные батареи: а) с аморфным кремнием; б) с кристаллическим кремнием
Имея великолепную гибкость, позволяют укрепить на них полупроводниковые элементы. Такие кремниевые пластины для солнечных батарей позволяют выполнять работу в ильном смоге. Или на предприятии, где полно аэрозольных испарений. Технология позволяет выполнять напыление кремния на гибкое и жесткое основание.
Солнечные батареи из аморфного кремния способны активно реагировать на слабое освещение. Используются часто на территориях, где преобладает пасмурная погода.
Основные преимущества солнечных кремниевых батарей:
Теряют мало мощности при затенении.
На домах их практически не видно. При желании можно тщательно замаскировать.
В момент повышения температуры они мало нагреваются. Перерабатывают больше электричества. У кристаллических батарея мощность при увеличении температуры снижается.
Производство достаточно упрощенное поэтому брак минимален.
Вырабатывают больше электричества в момент слабого освещения. В условиях пасмурной погоды они способны накапливать энергии на 10-20% больше, чем кристаллические.
Единственный минус подобных источников питания — это КПД. Он будет немного ниже. В течение 10 лет работы их мощность понизится всего на 10% [8].
Мы произвели собственные замеры эффективности существующих солнечных панелей при воздействии на них различных видов излучения. Были изучены световые элементы инженерного калькулятора (образец 1), видеокамеры (образец 2) и солнечной батареи, изготовленной из кристаллического кремния (образец 3). Результаты отразили в таблице 1.
Таблица 1 – Результаты исследований солнечных батарей
Как видно из таблицы, промышленные образцы обладают достаточно высокими показателями преобразования различных видов излучения в электрическую энергию. Однако, изготовление солнечных панелей из кремниевых пластин в домашних условиях очень трудоемкий и практически невыполнимый процесс. Данная технология нуждается в доработке и усовершенствовании механизма получения электрической энергии.
Глава 4. Разработка модели LiNav-элемента.
В качестве основного компонента для создания модели LiNav-элемента было использовано натриевое жидкое стекло. Электропроводность стекла растет при увеличении в его составе содержания щелочных ионов, и ее значение зависит от радиуса щелочного катиона; натриевые и калиевые стекла характеризуются высокой электропроводимостью [9]. Наличие аморфного кремния и атомов щелочного металла создают необходимые условия для эффективного захвата, удержания и преобразования солнечного излучения в электрический ток. Жидкая форма силиката натрия способствует созданию солнечных ячеек любой формы, что позволит увеличить площадь взаимодействия ячейки с окружающим пространством и повысить процент улавливания солнечных лучей, а также, создает возможность, на этапе проектирования и сборки, влиять на химический состав, за счет введения дополнительных компонентов, усиливающих электропроводность.
Первичная модель солнечного элемента представляет собой стеклянную подложку, для увеличения эффекта адгезии компонента, с расположенной на ней сеткой тонких медных проводов, предназначенных для сбора и отвода электрического тока.
Б ыли сконструированы несколько вариантов схемы расположения медных проводов, для оценки наиболее эффективного их сочетания (рис. 2). Для лучшего улавливания солнечной энергии, в некоторых моделях одну из сторон пластины покрывали темной акварельной краской. Используя нескольких темных оттенков и вариантов соединении, размещения медной проволоки, изучили характеристики конструкций (рис. 3).
Рисунок 2 – Различные конфигурации LiNav-элемента
Рисунок 3 – Проведение измерений смоделированных ячеек
Результаты измерений занесли в таблицу 2.
Таблица 2 – Характеристики солнечных батарей собственной сборки
По окончании практических испытаний, характеристики смоделированных солнечных ячеек оказались не так велики, как ожидалось. Однако, наличие малых токов, говорит о работоспособности конструкции и необходимости ее доработки и модернизации.
Заключение.
В ходе выполнения работы нам удалось достигнуть поставленной цели, решив ряд необходимых задач: узнали, что солнечная энергетика — перспективное направление в изучении особенностей Солнца и способов использования его активности в различных сферах, а основные усилия направлены на оптимизацию солнечных электрических станций, и их компонентов; выявили достоинства и недостатки солнечных батарей; установили, какие виды кремниевых батарей существуют, изучили особенности их работы и конструкции; а также, разработали модели солнечного модуля на основе аморфного кремния и провели их практическое испытание.
Таким образом, гипотеза о том, можно разработать солнечные элементы на основе силиката натрия полностью подтвердилась. Однако у первых моделей существует ряд недостатков, которые приводят к их низкой эффективности. Полученные результаты говорят о необходимости доработки существующих прототипов и усовершенствовании конструкции, которое возможно следующими путями:
– уменьшение диаметра медных проволок и увеличения схемы их расположения, с внедрением токоотводящих элементов в толщу конструкции, а не только на ее поверхность;
– нанесение на подложку высокоэффективного фотоэлектрического материала [10];
– внедрение в структуру элементов химических веществ, увеличивающих электропроводимость.
Повышение эффективности модулей LiNav-элемента позволит производить более дешевые солнечные панели с сохранением их эффективности, решить проблему с интенсивностью солнечного потока, за счет проектирования модулей различной конфигурации, что позволит сократить площади размещения солнечных батарей и сделает возможным использование данной технологии не только на крышах домов, но и на фасадах зданий.
Список использованной литературы:
«Возобновляемая энергетика – будущее» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://century-arch.ru/proizvodstvo/energetika/vozobnovlyaemaya-energetika-i-ee-perspektivy.html?yclid=813089890938675840. – Загл. с экрана;
Рубан С.С. Нетрадиционные источники энергии – М.: Энергия, 2003;
Виссарионов В.И. Солнечная энергетика: учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению "Электроэнергетика" / В.И. Виссарионов [и др.] – Москва: Изд. дом МЭИ, 2011. – 276 с.;
Дьяков А. Ф. Малая энергетика России: проблемы и перспективы. – М.: «Энергопрогресс: энергетика», 2019;
Умаров Г. Я., Ершов А. А. Солнечная энергетика. – М.: «Знание», 1974;
Челяев В. Ф. Солнечная энергетика – энергетика будущего. – «Энергия: экономика, техника, экология», № 10, 2008;
Андреев С.В. Солнечные электростанции. – М.: «Наука», 2002;
Marti A., Luque A. Next generation photovoltaics. — B&Ph.: Institute of physics publishing, 2004. — 344 с. — ISBN 0-75-030905-9.
Электрические свойства [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://msd.com.ua/texnologiya-stroitelnogo-i-texnicheskogo-stekla-i-shlakositallov/elektricheskie-svojstva-4/. – Загл. с экрана;
Поулек В. Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии. Теория и практика использования солнечной энергии / В. Поулек, М. Либра, Д.С. Стребков, В.В. Харченко. – М.: ГНУ ВИЭСХ, 2013. – 324 с.