Солнечные батареи: применение и повышение эффективности

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

Личный портфель

Солнечные батареи: применение и повышение эффективности

Грошев И.Б. 1
1Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение «Лицей «Дельта» г. Пермь
Соломатина О.В. 1
1Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение «Лицей «Дельта» г. Пермь
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

 

Солнечная батарея – это удивительное изобретение учёных, ставшее символом современного мира. Все возможности и способы использования солнечных батарей до сих пор не раскрыты. В будущем солнечные батареи будут более активно использоваться в быту.

Актуальность: на сегодняшний день, в большинстве случаев, для получения электрической энергии человек использует атомную энергию, электростанции, работающие на углеводородном топливе, а также гидроэлектростанции, работающие на энергии рек и очень редко для создания электроэнергии используются сила ветра, геотермальная энергия вулканов, сила приливов и отливов, а также энергия солнца.

В данном случае использование энергии солнца является самым простым и дешёвым способом получения электроэнергии.

Проблема: как получить больше электрической энергии от стандартной солнечной батареи.

Объектом исследовательской работы является процесс преобразования солнечного света в электрическую энергию по средствам солнечных батарей

Предметом исследовательской работы стал испытательный стенд на базе монокристаллической солнечной панели.

Гипотеза: Эффективность солнечных батарей можно увеличить с помощью технических средств (устройство слежения за источником света).

Цель: Какими способами можно повысить эффективность солнечных батарей.

Для реализации поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

  1. Проанализировать какие факторы влияют на эффективность работы солнечной батареи;

  2. Определить с помощью, каких показателей оценивается эффективность солнечных батарей;

  3. Определить приборы, которые смогут измерить показатели эффективности солнечных батарей;

  4. Исследовать влияние различных факторов на эффективность работы солнечных батарей;

  5. Исследовать варианты использования электрической энергии полученной с помощью солнечной батареи.

Для решения данных задач использовались следующие методы научного познания:

  • Эксперимент;

  • Наблюдение;

  • Измерение;

  • Сравнение;

  • Анализ.

  1. Теоретическая часть.

1.1 Солнце и его энергетические возможности.

Солнце – ближайшая к Земле звезда и единственная звезда в Солнечной системе. Солнце является небольшой звездой и тем не менее по размеру оно больше Земли в 109 раз, а по массе больше в 333 000 раз. Астрономы относят Солнце к типу желтый карлик при этом оно светит белым цветом. Солнце поддерживает жизнь на Земле, определяет климат нашей планеты и участвует во многих биологических процессах на нашей планете. Наше Солнце, благодаря постоянной химической реакции в его ядре высвобождает невероятную энергию, которая выбрасывается в открытый космос, часть этой энергии попадает на Землю.

Ученые много раз задумывались об использовании солнечной энергии и света с целью получения электричества, для этого были придуманы солнечные панели, которые преобразуют солнечную энергию в постоянный ток.

1.2 Что такое солнечная батарея.

Солнечная батарея или по-другому солнечная панель — это группа объединённых в систему фотоэлементов, прямо превращающих солнечный свет в постоянный электрический ток.

Для использования солнечной батареи в бытовых условиях дополнительно требуются аккумулирующие и преобразующие энергию устройства.

1.3 Классификация солнечных батарей.

На сегодняшний день солнечные батареи классифицируются на 3 типа по способу их изготовления:

Монокристаллические солнечные батареи – это фотоэлементы, изготовленные из кристаллов кремния, искусственно – выращенных в лаборатории и тонко нарезанных на пластины. Для производства используют пластины толщиной 250–300 мкм.

Поликристаллические солнечные батареи – фотоэлементы, изготовленные из множества тонко нарезанных пластин из мельчайших кристаллов кремния. Выращивание мелких кристаллов кремния в лаборатории значительно дешевле и быстрее по сравнению с монокристаллами.

Тонкопленочные солнечные батареи – это фотоэлементы, изготовленные нанесением на жёсткую основу тонкой плёнки фотоэлектрического материала на основе кадмия, галлия или кремния.

1.4 Устройство солнечной панели.

Солнечная панель является сложным многослойным композитнымматериалом:

  1. Самый нижний слой представляет из себя жёсткий, энергонепроводящий материал, являющийся основой панели и предназначенный для надёжной фиксации всех остальных слоёв;

  2. Следующий слой – это металлизированная основа, на которую крепится кремний содержащий материал;

  3. Кремний содержащий материал;

  4. Переходный слой;

  5. Кремний содержащий материал;

  6. Прозрачный металлизированный материал

  7. Прозрачный защитный слой.

1.5 Принцип работы солнечных батарей.

При падении солнечных лучей на солнечную батарею в верхнем и нижнем слое кремния под воздействием ультрафиолета появляется электрический заряд, который собирается верхним и нижним металлизированными слоями, превращаясь в электричество. В дальнейшем электричество по проводам поступает к приёмнику электрической энергии.

1.6 Практическое использование солнечной батареи.

На сегодняшний день применение солнечных батарей в промышлености и быту с каждым днём становится всё более актуально, так как стоимость электрической энергии постоянно растёт в сравнении с бесплатной солнечной энергией (конечно, потребуется купить оборудование, но оно скоро окупится). Именно поэтому всё чаще на крышах частных домов и крышах предприятий появляются солнечные батареи. Их используют точно также как обычную электроэнергию.

С развитием технологий солнечные батареи также используются для зарядки электромобилей, электрических самолётов, производства пресной воды, производства зелёного водорода.

Омская солнечная электростанция

Применение солнечных батарей обоснованно и возможно на 65% территории Российской федерации, при этом уже введены в работу 56 солнечных электростанций.

В будущем, с появлением не дорогих технологий производства солнечных батарей ожидается их повсеместное использование и даже сейчас солнечные панели можно встретить в Перми, например некоторые жители нашего города используют солнечные панели чтобы уменьшить расходы на электрическую энергию

  1. Практическая часть.

2.1 Подключение солнечных батареи.

Для полноценного использования солнечных батарей в бытовых условиях вместе солнечными батареями используются другие вспомогательные устройства:

  1. Аккумулятор – предназначен для накопления избытка электрической энергии в дневное время и постепенное расходование электрической энергии в ночное время;

  2. Трансформатор – это устройство повышающее напряжение в сети до уровня, который требуется для работы бытовой техники;

  3. Потребители – это бытовая электроника, которая работает от электрической энергии,

например, компьютер или холодильник.

В рамках научно-исследовательской работы был создан измерительный стенд, демонстрирующий работу солнечной батареи. В измерительном стенде реализованы одновременно две схемы:

Испытательный стенд

Схема №1 – в данной схеме к солнечной батарее напрямую подключен цифровой вольтметр, позволяющий оценить эффективность солнечной батареи.

Схема №2 – в данной схеме к солнечной батарее напрямую подключен потребитель – электрический двигатель, демонстрирующий практическое применение электроэнергии, генерированной солнечной батареей.

2.2 Факторы, влияющие на эффективность работы солнечных батарей:

В ходе практических экспериментов с применением демонстрационного стенда удалось выяснить следующее:

  1. При наличии солнечного света, не падающего напрямую, на поверхность солнечной панели выработка электрической энергии отсутствует, а вольтметр не регистрирует напряжение в цепи (рис.5);

Рис. 5 Солнечный свет не падает на солнечную панель

  1. При наличии солнечного света, падающего на поверхность солнечной панели под углом от 10 до 50 градусов выработка электрической энергии снижена, а вольтметр регистрирует напряжение в цепи около 4,34 Вольт, что составляет 2/3 мощности панели (рис.6).

Рис. 6 Солнечный свет падает на солнечную панель под углом

  1. При наличии солнечного света, падающего на поверхность солнечной панели под углом от 60 до 120 градусов выработка электрической энергии близка к максимальному значению и а вольтметр регистрирует напряжение в цепи 5,85 Вольт (рис.7), также максимальная энергия может производить полезную работу, вращать пропеллер автомобиля (рис.8)

Рис.7 Солнечный свет падает на солнечную панель под прямым углом

Рис. 8 Солнечная энергия вращает пропеллер автомобиля.

  1. При наличии рассеянного солнечного света (например в пасмурную погоду) выработка солнечной энергии снижена и зависит от времени дня, а также толщины облаков. Вольтметр регистрирует напряжение в цепи от 2/3 до 1/3 максимальной мощности (рис. 9);

Рис.9 Рассеянный солнечный свет падает на солнечную панель

  1. Интересно, в ходе экспериментов удалось получит электрическую энергию с использованием электрических лампочек. При этом максимальная мощность, которую удалось получить составляет ¾ от максимальной мощности панели на расстоянии не более 5 см от источника света. Кроме того, получит электрическую энергию удалось с применением в качестве источника света лампы накаливания (рис. 10).

Рис.10 Работа солнечной панели от искусственного источника света

2.3 Способы увеличения эффективности работы солнечных батарей.

Практические эксперименты, а также изучение технической литературы позволяют определить следующие способы увеличения эффективности работы солнечных батарей.

  1. Ориентирование солнечной панели по сторонам света, учитывая направления восхода и заката солнца;

  2. Установка солнечной панели в местах, где отсутствует естественная или искусственная тень (деревья, дома);

  3. Использование автоматических отражателей, направляющих солнечный луч на солнечную панель;

  4. Поддержание в чистоте поверхности солнечной панели (удаление пыли и снега).

2.4 Выводы

Изучая результаты, полученные в ходе практических исследований эффективности работы солнечных панелей можно сделать следующие выводы:

  1. Лучшим способом повышения эффективности работы солнечных панелей является правильное размещение панелей относительно источника света, а также использование устройств, следящих за положением источника света;

  2. Среди дополнительных способов повышения эффективности работы солнечных панелей можно отметить соблюдение правил чистоты поверхности панели;

  3. Одновременно солнечными панелями можно использовать другие устройства, такие как солнечные коллекторы и элементы Пельтье.

  1. Заключение.

Результаты исследования, проведённого в ходе подготовки научно-исследовательской работы, а также в процессе экспериментов подтвердили выдвинутую гипотезу, что эффективность солнечных панелей можно повысить, в том числе с использованием технических средств.

В ходе экспериментов мы выяснили на сколько сильно влияет на процесс выработки электрической энергии угол падения солнечного света на поверхность солнечной батареи.

Правильное размещение солнечных панелей относительно источника света позволяет получить до 8 часов генерации электрической энергии ежедневно. А при использовании устройств слежения за источником света среднюю длительность генерации электрической энергии можно увеличить до 35 – 40%.

С учётом современных направлений развития науки и техники, а также с учётом постоянного роста стоимости энергоносителей считаю, что использование солнечных батарей может быть выгодно. Кроме всего прочего, с учетом последних научных достижений ожидается значительное снижение стоимости сами солнечных батарей, поэтому первоначальные вложения также будут минимальные.

  1. Список использованной литературы

  1. Солнечная батарея, солнечная панель: Википедия Свободная энциклопедия. – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Солнечная_батарея (дата обращения: 15.02.2023). – Текст: электронный.

  2. Принцип работы солнечной батареи: как устроена и работает солнечная панель: Совет инженера. - URL: https://sovet-ingenera.com. – дата публикации ноябрь 2019. - (дата обращения: 15.02.2023). – Текст: электронный.

  3. Эффективность солнечных батарей: Англоязычная версия сайта: Википедия Свободная энциклопедия. -URL:https/en.wikipedia.org/wiki/Solar_cell_efficiency (дата обращения: 17.01.2023). – Текст: электронный.

Просмотров работы: 123