Исследование возможности получения электрической энергии из света с использованием фотоэффекта

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

Личный портфель

Исследование возможности получения электрической энергии из света с использованием фотоэффекта

Кудряшов Б.Д. 1
1Колледж РГСУ г. Пятигорск
Власов В.И. 1
1Кандидат технических наук, доцент, профессор РАЕ, заслуженный работник науки и образования
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Извлечение энергии из пространства – это одна из самых популярных тем, обсуждаемых в научном сообществе. Энергия является одним из ключевых факторов, определяющих развитие нашей цивилизации. Однако, все более ощутимыми проблемами становятся глобальное потепление, истощение нефтяных запасов и загрязнение окружающей среды. В связи с этим, появляется все больше идей по извлечению энергии из окружающих явлений, таких как ветер, геотермальные и солнечные источники.

Цель работы: исследование возможностей фотоэффекта для преобразования энергии света в электрическую энергию.

Основная часть

Ветроэнергетика.

Одним из самых распространенных способов извлечения энергии из окружающих явлений является использование ветра. Ветроэнергетика - это технология генерации электроэнергии из ветра. Для этого используются ветрогенераторы, которые преобразуют кинетическую энергию ветра в электрическую энергию. В местах, где постоянно дуют ветры, ветроэнергетика может быть очень эффективной.

Солнечная энергия.

Солнечная энергия - это технология, которая использует свет и тепло от солнца для извлечения энергии. Это может быть сделано путем использования солнечных панелей или зеркал, которые концентрируют свет солнца, для того чтобы извлечь энергию.

Геотермальная энергия.

Геотермальная энергия - это вид энергии, который использует тепло Земли для извлечения энергии. Для этого используются геотермальные электростанции, которые используют геотермальные ресурсы как источник тепла для производства пара и, затем, использования пара для создания электрической энергии. Геотермальная энергия может быть использована в тех регионах, где расположены горячие источники или в районах, где тектонические процессы нагревают земную кору.

Энергия от океана и водорослей.

Энергетика морей и океанов может быть извлечена из приливов и отливов, а также от движения волн. Водоросли могут быть использованы в качестве биомассы для создания топлива, водорода, метана, электроэнергии и тепла. Для получения энергии от водорослей существуют различные методы. Один из них - это использование водорослей в биореакторах, в которых они выращиваются в контролируемых условиях с целью получения биомассы.

Коэффициент полезного действия у солнечных панелей колеблется от 12% до 22% в зависимости от их материала. Если использовать принцип фотоэффекта для выработки энергии из светового излучения, то возможно увеличить КПД мощности установки путем использования их связки.

В них будет использоваться эффект фотоэлектрического действия, когда фотоэлектроны вылетают из вещества(катода) под действием светового излучения. Фотоэффект не выделяет вредных выбросов, что делает его экологически безопасными и перспективными для использования в качестве альтернативного источника энергии.

Первый закон фотоэффекта: фототок насыщения - максимальное число фотоэлектронов, вырываемых из вещества за единицу времени, - прямо пропорционален интенсивности падающего излучения [6].

Второй закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего излучения и линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения [6].

Третий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует граничная частота такая, что излучение меньшей частоты не вызывает фотоэффекта, какой бы ни была интенсивность падающего излучения. Эта минимальная частота излучения называется красной границей фотоэффекта [6].

Рисунок 1 – Схема множества соединенных установок фотоэффекта

Вторая великая формула - E = ħν, где E - это энергия кванта излучения, которая измеряется в джоулях. v — является частотой излучения и измеряется в герцах, ħ = 6,626 ∙ 10-34 Дж∙с (Постоянная Планка).

Формула фотоэффекта представляется в литературе в виде:

ħν = Aвых + (1)

Электрон внутри металла после поглощения одного фотона получает порцию энергии и стремится покинуть поверхность твердого тела, а покидая катод, перелетает на анод, затрачивая часть энергии фотона на работу выхода электрона из металла катода [3].

Количество испускаемых фотоэлектронов за единицу времени пропорционально интенсивности падающего излучения. Таким образом, фотоны солнечного излучения будут выбивать электроны из катода, что приведет к образованию электрической разности потенциалов между анодом и катодом.

Рисунок 2 – Схема подключённых установок фотоэффекта к аккумулятору

Далее необходимо рассчитать силу тока по формуле I = , где q – кол-во заряда, t – время.

После чего нужно вычислить напряжение в установках фотоэффекта по закону Ома U= , где U – напряжение, I – сила тока, R – сопротивление аккумуляторной батареи.

Далее необходимо вычислить коэффициент полезного действия (КПД) по формуле ή = 100 % , где ή – КПД, – затраченная работа , – полезная работа

Если взять количество фотонов падающих н а катод в единицу времени равное , то общее количество световой энергии E = n ħ ν.

Из общей теории фотоэффекта [3] известно, что не все падающие фотоны выбивают электроны из катода. Тогда количество электронов, выбитых из катода будет определяться как: = .

Общая величина заряда на катодах комплекта установок фотоэффекта

определяется по формуле:

= (2)

В результате накопления заряда на анодах, общая энергия будет равна:

= , (3)

которая при замыкании анодов устройств фотоэффекта на аккумулятор создаст ток, в соответствии с выражением:

= => I = = (4)

Ток - это величина заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника в единицу времени.

I = (5)

Подставим в выражение 4 выражение 1:

I =

Учитывая, что = , получим выражение зависимости величины полученного тока от количества падающих фотонов на катоды установок:

I = (6)

Проведя обратное преобразование можно вычислить зависимость количество фотонов, падающих на поверхность, как функцию от величины протекающего тока в цепи.

Заключение

Извлечение энергии из окружающих явлений является перспективным направлением в области энергетики. Эти технологии могут сократить зависимость от ограниченных источников топлива, уменьшить негативное воздействие на окружающую среду и обеспечить более стабильное и надежное производство электроэнергии.

Список использованных источников и литературы

  1. Гуревич Ю.Я., Внешний фотоэффект. Москва.: “Знание”, 1983, 64 c.

  2. Лукирский П.И., О фотоэффекте. Москва.: “ЁЁ Медиа”, 2012, 96 с.

  3. Международный научный журнал.: “Юный учёный”. 2021 г., 77 c.

  4. Мякишев Г.Я., Физика 10 класс. Москва.: “Просвещение”, 2010, 96 с.

  5. Столетов А.Г., Ньютон, Гельмгольц, Ковалевская. Избранные работы по истории науки (сборник). Москва.: “Либроком”, 2015, 178 c.

  6. Cтатья Российской Электронной Школы (РЕШ). “Фотоэффект” (https://resh.edu.ru/subject/lesson/4917/conspect/197789/)

Просмотров работы: 47