XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Преобразование световой энергии в электрическую
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В последние годы все больше внимания уделяется разработке и использованию солнечных батарей, которые позволяют преобразовывать солнечный свет в электроэнергию. В данной работе рассмотрим солнечные батареи, собранные из транзисторов П214 с pnp-переходами, а также изучим историю их создания, использование для добычи электроэнергии, актуальность их эксплуатации сегодня, а также способы сборки такой батареи дома и ее использование в быту.
Солнечные батареи являются одними из самых популярных и востребованных источников энергии в современном мире. Их актуальность обусловлена рядом факторов, таких как возобновляемость солнечной энергии, экологическая чистота, низкая стоимость эксплуатации и долговечность.
Целью данной работы является сборка солнечной батареи из подручных материалов для питания маломощных электроприборов.
Для достижения данной цели мною были поставлены следующие задачи:
- Изучить информацию о принципе работы солнечных батарей, их типах и материалах.
- Подобрать материалы и собрать свою панель солнечной батареи.
- Протестировать панель в разных условиях.
Для подтверждения моей гипотезы о том, что с помощью старых транзисторов П214 можно собрать преобразователь световой энергии в электрическую, мною были использованы такие методы исследования, как анализ информации из разных источников, сравнение, обобщение, наблюдение и эксперимент. Для эксперимента мне понадобились следующие материалы: транзисторы П214 (90 штук), провода, паяльник, пластиковая канистра, измерительные приборы (мультиметр, амперметр), инструменты.
2. История создания солнечных батарей и принцип их работы.
История создания солнечных батарей положила свое начало еще в XIX веке. В результате постоянно проводимых исследований в области преобразования солнечной энергии в электрическую, технология производства солнечных батарей стремительно развивалась.
Впервые, с фотоэлектрическим эффектом столкнулся французский физик Александр Эдмон Беккерель в 1839 году. Он проводил различные эксперименты c электролитическими элементами, задействовав платину в качестве электродов – анода и катода. Ученый обратил внимание на то, что величина тока, протекающего между электродами при свете, незначительно увеличивается по сравнению с величиной тока в темноте. В результате этого было открыто явление фотоэлектрического эффекта, хотя практическое его применение было найдено значительно позже.
Совершенствовалась технология изготовления фотоэлементов: от покрытого золотом селена, КПД которого составляло всего 1% до современных кремниевых фотоэлементов. [2]
По типу рабочего фотоэлектрического слоя солнечные батареи разделяются на такие разновидности:
-
Кремниевые: монокристаллические, поликристаллические, аморфные.
-
Теллурий-кадмиевые.
-
На основе селенида индия- меди-галлия.
-
Полимерные.
-
Органические.
-
На основе арсенида галлия.
-
Комбинированные и многослойные. [3]
Процесс преобразования солнечной энергии в электрическую основан на явлении фотоэффекта, когда световые частицы (фотоны) вызывают вырывание электронов из полупроводникового материала. Эти электроны образуют электрический ток, который можно использовать для питания различных устройств.
Для преобразования солнечной энергии в электрическую используются специальные устройства, называемые фотоэлектрическими или солнечными элементами. Они состоят из двух слоев полупроводника с разной проводимостью, между которыми образуется p-n переход. Когда свет падает на такой элемент, он создает разность потенциалов между слоями, которая называется фотоэлектрической ЭДС.
Соединяя несколько солнечных элементов в последовательную или параллельную цепь, можно получить большее напряжение или силу тока. Такие цепи называются солнечными батареями или панелями. Они могут быть установлены на крышах, стенах, земле или специальных конструкциях, которые поворачиваются за солнцем.
Солнечные батареи подключаются к контроллеру заряда, который регулирует ток и напряжение, поступающие от них. Контроллер заряда также подключается к аккумулятору, который накапливает электрическую энергию и выдает ее при необходимости.
С самого начала очевидно, что источником энергии здесь является солнечный свет, или, выражаясь научным языком, электрическая энергия получается благодаря фотонам солнечного излучения. Эти фотоны можно представить себе как непрерывно движущийся от Солнца поток элементарных частиц, каждая из которых обладает энергией, и следовательно весь световой поток несет в себе какую-то энергию.
Рис. 1 Принцип работы солнечной батареи
С каждого квадратного метра поверхности Солнца непрерывно излучается по 63 МВт энергии в форме излучения! Максимальная интенсивность этого излучения приходится на диапазон видимого спектра - волны с длиной от 400 до 800 нм.
Так вот, ученые определили, что плотность энергии потока солнечного света на расстоянии от Солнца до Земли в 149600000 километров, после его прохождения через атмосферу, и по достижении поверхности нашей планеты, составляет в среднем приблизительно 900 Вт на квадратный метр.
Здесь эту энергию можно принять и попытаться получить из нее электричество, то есть преобразовать энергию светового потока Солнца - в энергию движущихся заряженных частиц, проще говоря - в электрический ток. [1]
3. Использование транзисторов для добычи электроэнергии
Принцип полупроводникового управления электрическим током был известен ещё в начале ХХ века. Несмотря на то, что инженеры, работающие в областях радиоэлектроники, знали как работает транзистор, они продолжали конструировать устройства на основе вакуумных ламп. Причиной такого недоверия к полупроводниковым триодам было несовершенство первых точечных транзисторов. Семейство германиевых транзисторов не отличались стабильностью характеристик и сильно зависели от температурных режимов.
Серьёзную конкуренцию электронным лампам составили монолитные кремниевые транзисторы лишь в конце 50-х годов. С этого времени электронная промышленность начала бурно развиваться, а компактные полупроводниковые триоды активно вытесняли энергоёмкие лампы со схем электронных приборов. С появлением интегральных микросхем, где количество транзисторов может достигать миллиардов штук, полупроводниковая электроника одержала убедительную победу в борьбе за миниатюризацию устройств.
Что такое транзистор?
В современном значении транзистором называют полупроводниковый радиоэлемент, предназначенный для изменения параметров электрического тока и управления им. У обычного полупроводникового триода имеется три вывода: база, на которую подаются сигналы управления, эмиттер и коллектор. Существуют также составные транзисторы большой мощности.
Поражает шкала размеров полупроводниковых устройств – от нескольких нанометров (бескорпусные элементы, используемые в микросхемах), до сантиметров в диаметре мощных транзисторов, предназначенных для энергетических установок и промышленного оборудования. Обратные напряжения промышленных триодов могут достигать до 1000 В.
Конструктивно триод состоит из полупроводниковых слоев, заключённых в корпусе. Полупроводниками служат материалы на основе кремния, германия, арсенида галлия и других химических элементов.
Раньше кристаллы полупроводника располагались в металлических корпусах в виде шляпок с тремя ножками. Такая конструкция была характерна для точечных транзисторов.
Сегодня конструкции большинства плоских, в т. ч. кремниевых полупроводниковых приборов выполнены на основе легированного в определённых частях монокристалла. Они впрессованы в пластмассовые, металлостеклянные или металлокерамические корпуса. У некоторых из них имеются выступающие металлические пластины для отвода тепла, которые крепятся на радиаторы.
Электроды современных транзисторов расположены в один ряд. Такое расположение ножек удобно для автоматической сборки плат. Выводы не маркируются на корпусах. Тип электрода определяется по справочникам или путём измерений.
Для транзисторов используют кристаллы полупроводников с разными структурами, типа p-n-p либо n-p-n. Они отличаются полярностью напряжения на электродах.
Схематически строение транзистора можно представить в виде двух полупроводниковых диодов, разделённых дополнительным слоем. (Смотри рисунок 2). Именно наличие этого слоя позволяет управлять проводимостью полупроводникового триода.
Рис. 2 Строение транзисторов
По принципу действия и строению различают полупроводниковые триоды:
-
полевые;
-
биполярные;
-
комбинированные.
Работа биполярных транзисторов основана на свойствах полупроводников и их сочетаний. [4]
4. Сборка солнечной батареи из транзисторов П214 дома
Для нашего эксперимента мы использовали биполярные транзисторы П214. Данные элементы отлично подходят для поставленных целей, поскольку они представляют собой приборы большой мощности, низкочастотные германиевые сплавные p-n-p, предназначенные для работы в схемах переключения, преобразователях и стабилизаторах постоянного напряжения. Корпус металлический, герметичный. Максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер – 45в. Максимальный ток коллектора – 5А.
Рис. 3 Строение транзистора П214
Необходимые материалы:
-
транзисторы П214 (90 штук);
-
пластиковая канистра (корпус панели);
-
паяльник, припой, канифоль;
-
провода, жгуты
-
мультиметр;
-
прочие инструменты.
Этапы работы:
Взять транзисторы и при помощи ножовки или болгарки отпилить верхнюю часть корпуса. Внутри можно будет увидеть пластину с припаянными выводами, а также тальк – смесь (Si O2+Zn O2), которая служит для того, чтобы эти выводы не отпаялись, он быстро отводит часть тепла от проводящей системы и от кристалла при скачках напряжения.
Рис. 4 Транзисторы П214 в разобранном виде
Делаем корпус батареи. Разрезаем пластиковую канистру так, чтобы получилась двусторонняя сгибаемая панель (в форме книги). Закрепляем на панели транзисторы и последовательно соединяем их проводами с помощью паяльника. Так получилась цепь из последовательно соединенных транзисторов.
Рис. 5 Последовательное подключение
На этом процесс изготовления самодельной солнечной панели можно считать завершенным. Останется только провести необходимые тесты.
Рис. 6 Готовая панель
5. Тестирование работы солнечной панели в различных условиях
Для проверки работы панели необходимо подключить ее к мультиметру – прибору, который будет показывать напряжение в вольтах.
При тусклом свете в помещении панель показывает напряжение, равное примерно 1,5 В.
Если перекрыть попадание света на панель, показатель падает.
При направленном на панель свете лампы накаливания мультиметр показывает 5,7 В, что вполне достаточно для зарядки телефона или пауэрбанка.
При направленном на панель естественного света солнца мы получаем напряжение около 7 В.
В темное время суток при отсутствии и естественного солнечного света и электроосвещения – например, в лесу – в качестве источника света можно использовать костер. Мы использовали свет одной свечи и мультиметр показал 1,5 В.
Таким образом, можно сделать вывод, что наша панель преобразовывает различные виды световой энергии в электрическую с достаточным напряжением. При этом наиболее высокие показатели мы получили при солнечном свете.
6. Заключение
В ходе нашей работы была подтверждена гипотеза о том, что из транзисторов П214 можно собрать достаточно мощный преобразователь световой энергии в электрическую.
В результате полученных данных было выявлено, что при оптимальном количестве транзисторов (90 штук) наша солнечная батарея вырабатывает достаточное напряжение для обеспечения электрическим питанием аккумуляторных батарей, используемых в различных технических устройствах (мобильный телефон, походный фонарь и других маломощных электрических приборов). При этом наибольшее напряжение она выдает при открытом солнечном свете. Однако и при свете огня или лампы напряжение будет достаточным для поставленной нами цели.
При этом панель безопасна для эксплуатации, так как не выделяет токсического и радиационного излучения, а также напряжение не превышает опасных для человека 42 В.
Таким образом, мы собрали и протестировали полноценную довольно компактную солнечную батарею, которую можно использовать при необходимости в любых условиях при отсутствии постоянного доступа к электрическим сетям например: в походе, на даче в путешествии.
7. Список литературы:
-
А. Повный «Школа для электрика» Школа для электрика;
-
А. Вагнер, В. Соколов; Журнал «Научный лидер» выпуск №15 (июнь, 2021 г.);
-
А. Гумаров, Виды солнечных батарей: сравнительный обзор конструкций и советы по выбору панелей. Интернет-энциклопедия по обустройству сетей инженерно-технического обеспечения «Совет инженера» (август, 2019 г.);
-
Д. Макаров, Что такое транзистор и как он работает? https://www.asutpp.ru/kak-rabotaet-tranzistor.ht