XIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Измерение КПД солнечной батареи
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В последние десятилетия стала очень актуальной тема использования возобновляемых источников энергии. Добывая для себя ресурсы, мы наносим необратимый вред планете, а с развитием технического прогресса энергии для человечества требуется все больше и больше. Совсем недавно, 20-30 лет назад, экспериментальные установки, преобразующие энергию ветра или Солнца в электрическую и тепловую серьёзно не рассматривались, а сейчас использование этих ресурсов уже получило распространение и стало вполне обычным явлением.
Солнечные батареи
Многие в наше время знакомы с солнечными батареями. Их массовое применение можно увидеть во многих странах. Действительно, это очень актуально в наше время, так как солнечные батареи позволяют получать электроэнергию из света, не прикладывая никаких дополнительных усилий. Они не выделяют никаких отходов во время работы и не оказывают влияния на природу. Срок жизни Солнца, в будущем, оценивается учёными в 5 млрд. лет. Это колоссальный промежуток времени в сравнении с обозримым будущим человечества. Всё это время Солнце будет излучать энергию, также как оно излучает её сейчас, и эту энергию необходимо научиться использовать наиболее эффективно и полно. Сейчас человечество использует ничтожную долю энергии, выделяемой Солнцем.
Начав изучать вопросы, связанные с использованием Солнечной энергии, я поставил перед собой задачу измерения КПД солнечной батареи. Я думаю, что измерив КПД солнечной батареи, можно сделать вывод о целесообразности использования солнечных батарей в качестве источников тока.
Солнечная батарея состоит из множества соединенных определенным образом друг с другом фотоэлементов. Рассмотрим принцип ее работы на примере одного такого элемента.
Основой фотоэлемента является кристалл кремния. Кремний в различных формах очень распространен в природе. Самый известный пример – это оксид кремния, т.е. песок. Большие кристаллы выращиваются искусственно в лабораторных условиях. Обычно их получают кубической формы, а затем делят на пластины. Толщина этих пластин всего 200 микрон. Это примерно в 3─4 раза толще волоса человека.
На полученные пластины кремния нанесён с одной стороны слой бора, а с другой ─ фосфора. В местах контакта кремниевой пластины с бором имеется избыток электронов. На другой стороне по границе кремниевой пластины с фосфором недостаёт электронов. Там образуются «дырки». Такую стыковку границ с избыточным количеством электроном и их недостатком называют p-n переходом. На рисунке, располагающемся ниже, можно наблюдать схему работы солнечной батареи. Металлические пластины сверху несут функцию положительного электрода, а большая пластина снизу – функцию отрицательного (приложение 1).
Принцип действия современных солнечных батарей в целом именно такой, отличаются лишь конструкция и материалы, используемые в производстве, благодаря которым производители постепенно увеличивают такой важный параметр, как коэффициент фотоэлектрического преобразования или КПД устройства. Стоит так же сказать, что мощность батареи напрямую зависит от суммарной площади фотоэлементов (кремниевых пластин) – т. е. от площади одной пластины и их кол-ва.
Стандартные солнечные батареи производят из моно - и поликристаллов кремния, так же есть и на основе аморфного кремния (приложение 2).
Любые солнечные батареи изготовлены из ячеек, соединенных между собой. В случае монокристаллических солнечных батарей, ячейки изготавливают из максимально чистого кремния, который добывается по методу Чохральского. После затвердевания, полученный кристалл разрезают на пластины, которые впоследствии пронизываются металлической сеткой из электродов. Эта технология дорогостоящая, поэтому такие батареи дороже поликристаллических, зато они обладают высоким КПД, около17-22 процентов.
Для изготовления поликристаллических батарей используются поликристаллы. Чтобы их получить, кремниевый расплав подвергается медленному остыванию. Эта технология требует меньших затрат, но и батареи имеют меньший КПД - 12-18 процентов, что может быть достаточно критично при использовании батарей в больших количествах. Проблема в том, что внутри кристалла, полученного таким способом, имеются области с зернистыми границами, что снижает КПД.
Есть батареи из аморфного кремния, которые по материалу относятся к кремниевым, а по принципу изготовления – к пленочным. Для их изготовления используют силан или кремниеводород, которые наносят на материал подложки. КПД у таких батарей низкий - около 6 процентов, зато их можно гнуть, а в пасмурную погоду они имеют КПД наравне с моно и поликристаллическими батареями.
Полимерная солнечная батарея - это пленка, которая состоит из активного слоя (полимера), электродов из алюминия, гибкой органической подложки и защитного слоя. Для создания рулонных полимерных солнечных батарей отдельные пленочные фотоэлементы объединяют между собой. Такие батареи недороги в производстве и экологичны, к тому же, несмотря на низкий КПД, они обладают и плюсами – низкая стоимость изготовления, легкость, гибкость, компактность.
В наше время солнечные батареи достаточно широко распространены. Их устанавливают на спутники, они стоят на заправках, прототипах автомобилей, есть электростанции таких батарей, обеспечивающие энергией населенные пункты, даже в калькуляторы ставятся такие элементы питания (приложение 4).
Коэффициент полезного действия (КПД) — это отношение количества полезной энергии, полученной от какого-либо ее преобразователя, к количеству подводимой к нему энергии. КПД солнечной батареи — это отношение количества энергии, выдаваемой источником света, к количеству энергии выработанной батареей.
Как уже было сказано при описании различных типов батарей, средний КПД у них достаточно низкий. Это связано с тем, что батареи способны эффективно поглощать и перерабатывать только определенные участки спектра, начиная с некоторой энергии. Для самых распространенных кремниевых солнечных батарей, как уже было сказано, эта величина не достигает 30 процентов. Однако по всему миру предпринимаются попытки повысить этот показатель, однако все даже и успешные попытки остаются в лабораториях – в массы таким разработкам пока очень рано.
Определение КПД солнечной батареи
Оборудование: люксметр (приложение на Android), мультиметр, солнечная батарея, электродвигатель.
Ход:
1. Сбор экспериментальной установки. (Приложение 3).
2. Подключение проводов к солнечной батареи.
3. С помощью люксметра измерили освещенность солнечной батареи (E = 60000 Лк = 642,8 Вт/м2).
4. После вычислили площадь поверхности солнечной батареи, S= ab (S = 2,5∙2 = 5 м2 = 0,0005 м2).
5. Затем, с помощью мультиметра измерили напряжение (U = 0,8 В).
6. Также, с помощью мультиметра измерили силу тока (I = 0, 047 А).
7. Затем, по формуле вычислили мощность светового потока Pсв= ES (Pсв= 642,8 ∙0,0005 = 0,32 Вт).
8. Вычислили мощность электрического тока Pэл=IU (Pэл= 0,8∙0,047 = 0,04 Вт)
9. По формуле вычислили КПД солнечной батареи η = Pэл/ Pсв (η =0,04/0,32 = 0,125∙100% = 12,5%)
Заключение
Вывод: 12,5% - КПД солнечной батареи. Это неплохой результат. Я думаю, что дальнейшее совершенствование солнечных батарей позволит увеличить их КПД. КПД первых тепловых двигателей был от 1 до 8%, однако их совершенствование привело к тому, что их КПД возрос в среднем до 40%. Учитывая неисчерпаемость солнечной энергии и её экологическую чистоту, солнечные батареи, как источник тока, имеют хорошие перспективы.
Список использованных источников и литературы
http://altenergiy.ru/sun/kto-i-kak-proizvodit-solnechnye-paneli
https://nplus1.ru/news/2016/03/04/CdTe-solar
http://greenevolution.ru/enc/wiki/solnechnaya-batareya/ http:///articles/solnechnyie-batarei-kak-eto-rabotaet/
http://solar-power-system.ru/news/ID_13.html
Элементарный учебник физики: Учебное пособие. В 3т./ Под редакцией Г.С. Лансберга: Т. 2. – М.: Физматлит, 2003.
Элементарный учебник физики: Учебное пособие. В 3т./ Под редакцией Г.С. Лансберга: Т. 3. – М.: Физматлит, 2003.
Приложения
Приложение 1.
Приложение 2.
Приложение 3.