XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке. Летняя площадка 2022

Солнечная батарея. Создание модели солнечной батареи в домашних условиях.

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Потемкина И.П. 1

---

1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение города Иркутска средняя общеобразовательная школа №80

Ободенко О.Н. 1

---

1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение города Иркутска средняя общеобразовательная школа №80

Работа в формате PDF

635.2 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Ежегодно человечество потребляет огромное количество электроэнергии, а именно 20,1 трлн кВт/ч. Чаще всего, для получения электроэнергии используются ГЭС и АЭС, но это отрицательно сказывается на экологии. За последнее десятилетие появились альтернативные источники энергии, которые распространены не так широко, как традиционные, однако представляют интерес из-за выгодности их использования и, как правило, низкого риска причинения вреда окружающей среде. Например, ветряные электростанции, которые питаются кинетической энергией ветра, геотермальные станции, которые питаются тепловой энергией горячих источников планеты, а также солнечные электростанции, питающиеся электромагнитными излучениями Солнца. Человечество вплотную подошло к решению мировых экологических проблем, путем внедрения альтернативных источников энергии.

По сути, солнце даёт нам почти всё: свет, тепло, углеводороды, питание. Если использовать энергию солнца с КПД, близким к 1%, то можно забыть про парниковый эффект, АЭС и т. п. Исходя из этого, мы решили самостоятельно собрать солнечную батарею, чтобы изучить её и доказать преимущество такого способа добычи энергии, не имеющего отрицательного влияния на окружающую среду.

Солнечной батареей является прибор, состоящий из объединения полупроводниковых устройств (фотоэлементов), которые преобразовывают солнечную энергию в электрическую. В основе работы солнечной панели лежит внутренний фотоэлектрический эффект - физическое явление взаимодействия света или любого другого электромагнитного излучения с веществом, при котором энергия фотонов передаётся электронам вещества, но при облучении электроны остаются внутри вещества.

Актуальность

В современном мире, в постиндустриальную эпоху, для удовлетворения новых человеческих потребностей и дальнейшего развития общества необходимо огромное количество различных видов энергии, а соответственно существует множество способов добычи этих видов энергии – они эффективны, но:

создают много производственных отходов, загрязняющих окружающую среду;

могут привести к чрезвычайным ситуациям техногенного характера с ужасающими и сложно ликвидируемыми последствиями из-за человеческого фактора, износа оборудования или других причин;

ресурсы, которые используются для выработки энергии, на нашей планете невозобновляемы и ограничены.

По этим причинам люди стали искать другие – безопасные, экологичные, возобновляемые и долговечные источники энергии, которые мы называем нетрадиционными или альтернативными. Одним из перспективных альтернативных источников является солнечная энергия, а одним из способов добычи и преобразования этой энергии является солнечная батарея.

Цель и задачи

Цель проекта - создание модели солнечной батареи

Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:

Изучить информацию по теме «солнечная батарея»

Собрать необходимые инструменты и материалы для создания модели солнечной батареи.

Создать модель солнечной батареи.

Подвести итоги по работе.

Проблема

Население плохо разбирается в теме альтернативной энергетики, и поэтому существует огромное количество мифов и заблуждений насчёт альтернативных источников энергии и солнечных батарей в частности, тормозящие развитие этой сферы.

Гипотеза

Созданная в домашних условиях солнечная батарея будет дешевле покупной, но не менее эффективной.

Назначение проекта

Мой проект предназначен для демонстрации моих знаний, полученных в течение основной образовательной программы. Также мой проект и продукт можно будет использовать для образования, саморазвития и для других проектов с похожей темой как источник информации.

Возможно практическое (бытовое) использование продукта для осуществления зарядки сотового телефона в солнечный день.

История солнечной батареи

Начало солнечной батареи положило открытие фотогальванического эффекта. Этот базовый принцип в 1839 году был обнаружен французским физиком Александром Эдмоном Беккерелем (рис.1).

Он провёл опыты с электролитами (рис.2) и зафиксировал следующее: если на одну из пластин направить свет, то величина тока в цепи незначительно усиливается.

В 1876 году Уильям Гриллс Адамс (рис.4) и Ричард Эванс Дей (рис.5) поняли, что селен способен вырабатывать электричество под воздействием мощного источника света. Хоть КПД было незначительным, зато стало понятно, что твёрдые материалы также пригодны для выработки электричества.

В 1883 году американскому изобретателю Чарльзу Фриттсу (рис.6) удалось собрать первый фотоэлектрический модуль с эффективностью 1%, где фотоэлементами стали селеновые пластины, покрытые тонким слоем золота. Эффективность первого элемента было крайне мало, тем не менее, Фриттс был уверен в революционности своего изобретения.

В 1880 году немецкий физик Генрих  Рудольф Герц (рис.7) в результате своих исследований наблюдал явление фотоэлектрического эффекта (о котором сказано выше). Ученый также установил, что энергии получается больше при воздействии ультрафиолетовым светом незаметным для глаза видимым спектром. Свой неоценимый вклад в эту область физики внёс и Альберт Эйнштейн (рис.8). В 1905 году он полностью смог объяснить саму суть процесса перехода энергии фотонов к электронам, то есть явление фотоэффекта. В 1921 году за этот труд Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия.

В течение последующих нескольких десятков лет учёные пытались добиться более эффективной работы солнечных установок. Препятствовало продвижению вперёд два фактора: необходимость использовать золото и природные физические ограничения селеновых пластин. В 1940 году специалисты американской лаборатории Белла в ходе опытов обнаружили, что если направить свет на кремниевые образцы, находящиеся в электрической цепи, то измерительные приборы фиксируют изменения тока и напряжения. В дальнейшем этот эффект целенаправленно изучался, и в 1950 году Уильям Шокли (рис.9) разработал теоретическую модель p-n перехода, за что был удостоен Нобелевской премии. Эта модель и стала базой для дальнейших разработок.

Н аконец в 1953 году три сотрудника американской лаборатории Белла: Кэлвин С. Фуллер; Джеральд Л. Пирсон; Дэрил М. Чапин (рис.10),- сделали заявление об удачном применении в качестве фотоэлементов пластин из кремния. Вначале показатель эффективности экспериментальной гелиоустановки составлял 4%, но спустя год поднялся до 6%. Солнечные элементы в том виде, в котором мы их знаем сегодня, сделаны из кремния, а не из селена, поэтому именно эту группу учёных можно считать изобретателями солнечных панелей, хотя и с оговорками. К тому же это был первый пример солнечной технологии, которая могла приводить в действие электрическое устройство в течение нескольких часов в день.

Далее множество учёных работали над тем, чтобы увеличить КПД солнечной батареи. В 2020 году учёные Национальной лаборатории по изучению возобновляемой энергии (США) разработали солнечные батареи с максимальным на сегодняшний момент КПД. Он составляет 39,2% при естественной освещенности солнцем, и при концентрированном солнечном свете - более 47%.

Строение и работа солнечных батарей

Сама солнечная батарея устроена не сложно: закалённое стекло, антибликовое покрытие, фотоэлементы, подложка из какого-либо диэлектрика, герметичная (обычно алюминиевая) рамка и соединительный блок (рис.11).

Сложнее и интереснее устроена основная составляющая батареи- фотоэлементы (рис.12), в которых и происходит преобразование энергии солнца в электроэнергию.

В солнечных панелях используют полупроводниковые фотоэлементы, так как они преобразовывают солнечную энергию в электрическую. Состоят фотоэлементы из очень тонкой пластины кремния, к которой с одной стороны добавляют чаще всего примесь фосфора(P), с другой – бора(B).

Эти примеси помогают фотоэлементу вырабатывать больше энергии, повышают его КПД в несколько раз, по сравнению с чистой кремниевой пластиной. На стороне кремниевой пластины с примесью фосфора у атомов появляется один лишний электрон, и атомы становятся анионами (отрицательно заряженные ионы), поэтому сторону называют n-слоем (от negative - отрицательный). А на стороне с бором, наоборот, у атомов отсутствуют один электрон или, по другому, появляются «дырки», и атомы становятся катионами (положительно заряженные ионы), эту сторону называют p-слоем (от positive- положительный). Также между этими слоями появляется переход, который назвали p-n- переходом.

Пластину кладут на металлическую подложку (положительный электрод) p-слоем, а сверху прикрепляют металлические контакты (отрицательный электрод).

При световом излучении, фотоны выбивают электроны с n-слоя, и тогда начинается перемещение заряженных частиц, то есть появляется разность потенциалов. При замыкании цепи (подключении нагрузки) появляется электрический ток.

Чем больше фотоэлементов, тем больше мощность, при параллельном соединении фотоэлементов увеличивается максимально возможная сила тока, при последовательном соединении увеличивается напряжение.

Типы солнечных батарей

С уществует 2 вида солнечных кремниевых батарей: монокристаллическая и поликристаллическая (рис.13). Их главным различием является пластинки кремния, а точнее способы выращивания этого самого кремния, ведь природе кремния в чистом виде не встречается.

В монокристаллической солнечной панели используют кремний, выращенный такими методам, например Чохральского, при которых атомы кремния образуют чёткую структуру и в результате получается однородный кристалл чёрного цвета, называемый монокристаллическим кремнием – отсюда и название панели. Из-за качественного сырья, структуры монокристаллического кремния и его сложного и качественного выращивания эти панели имеют высокий КПД (до 25%), долгий срок эксплуатации (до 50 лет) и, следовательно, высокую стоимость, но они быстро себя окупают. Кроме того, из-за высокой мощности и производительности их можно использовать в меньшем количестве, тем самым экономя на площади. Однако нужно постоянно за ними ухаживать, так как малейшее загрязнение или затемнение приводит к существенному снижению выработки.

Поликристаллические панели дешевле, чем монокристаллические, но кремний, который используются в фотоэлементах, имеет неоднородную структуру и множество оттенков синего цвета, так как кристаллы изготавливаются из низкокачественного сырья и выращиваются быстрыми и простыми способами, что уменьшает КПД (15-17%) панели и его срок службы (до 30 лет). Солнечные панели из поликристаллов довольно тонкие, но ввиду меньшей производительности их потребуется больше, чтобы обеспечить себя необходимым количеством энергии. Но, несмотря на существенные минусы, поликристаллические солнечные батареи пользуются большой популярностью. Это связано с тем, что они менее прихотливы к захватыванию солнечного света и работают с большей отдачей в пасмурную погоду. Кроме того, с каждым годом инженеры работают над повышением величины КПД поликристаллических модулей, что в скором времени приблизит их к показателю 20-22%.

Использование солнечных батарей

С олнечные электростанции (СЭС). СЭС (рис.14) являются огромными массивами солнечных батарей, вырабатывающие электроэнергию для городов или крупных предприятий. Такие станции в электроэнергетике называют нетрадиционным источником энергии. В России подобные электростанции находятся в основном на территории Северного Кавказа и республики Крым. СЭС России: Перово, Охотниково, Бурзянская СЭС и др.

Транспорт. Экологичный транспорт (рис.15) приобретает популярность, ведь выхлопы бензина и газов загрязняют атмосферу, а цены на топливо постоянно растут. Машины на солнечной энергии способны развивать скорость до 140 км/ч. Также солнечные панели используют на водных видах транспорта. Такой транспорт можно встретить в Турции. Лодки развивают небольшую скорость (до 10 км/ч), и это позволяет туристом осмотреть достопримечательности и роскошные пейзажи этой страны. Солнечные панели даже используются в самолётостроении. Благодаря наличию батарей, самолет в полете может длительное время не расходовать топливо.

Туризм. Солнечные панели (рис.18) встраиваются в сумки, рюкзаки, палатки, чтобы обеспечить работу всего, что нужно в походе, вдалеке от дома и цивилизации.

Космонавтика. Изобретение кремниевых элементов выпало на период начала космической гонки, и разработчики космических аппаратов в скором времени начали осваивать эту технологию. В 1958 году на американский спутник «Авангард I» (рис.19) установили крошечную одноваттную панель для питания радиоприемников. Их примеру последовали и советские специалисты: космический аппарат «Спутник 3»(рис.20) также был оснащён системой солнечных панелей. В космосе фотоэлементы показывали хорошие результаты, из-за отсутствия препятствия для солнечного света в виде атмосферы и уже в 1966 году НАСА запустило первую в мире орбитальную астрономическую обсерваторию, работающую от однокиловаттного массива.

Создание модели солнечной батареи

Материалы и инструменты

Таблица 1

Ход работы

Таблица 2

Характеристики модели солнечной батареи

Модель является поликристаллической солнечной батареей.

При прямом солнечном свете:

V max (максимальное напряжение) =5,3В

I max (максимальная сила тока) = 0,4А

Экономическая оценка затрат на изготовление солнечной батареи в домашних условиях

Таблица 3

Оставшиеся материалы, инструменты и оборудование были у меня в наличии, поэтому их в расчёте нет.

Сравнительная таблица

Таблица 4

Заключение

Во время изучения информации и изготовления модели, я сделала вывод о том, что солнечная батарея - доступный для большинства и вариативный альтернативный способ получения энергии.

Поставленные задачи были решены путём ознакомления, изучения и анализа информации, создания модели и проекта в целом.

Проблема, заявленная мною в проекте, я считаю, решена, так как с данным проектом и с информацией в ней может ознакомиться любой желающий и расширить свои знания не только теоретически, но и практически.

Гипотеза подтверждена, так как при сравнении характеристик магазинной поликристаллической панели и характеристик моей модели, они были практически одинаковы, и при этом стоимость модели значительно меньше, чем стоимость магазинной панели.

Литература и электронные ресурсы

Уделл С. Солнечная энергия и другие альтернативные источники энергии.- М.: Знание,1980.- 88с.

Сибикин Ю. Д., Сибикин М. Ю. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учебное пособие. - М.: КноРус, 2010. - 232 с.

Давиденко И., Кеслер Я. Ресурсы цивилизации. – М.: Эксмо, 2005. – 544с.

Солнечная батарея // Википедия. 2022. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/ Солнечная_батарея

Фотоэффект // Википедия. 2022. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/ Фотоэффект

История солнечных батарей: от открытия к применению// Nova Sun.ru
Сайт о солнечных батареях и ветряках. 2022. URL: https://nova-sun.ru/alternativnaya-energetika/istoriya-solnechnyh-batarej