XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Моя солнечная электростанция
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение:
-
Цель исследования: использование битых солнечных элементов для создания мини солнечной электростанции.
-
Актуальность: проблема утилизации солнечных модулей и экологическая значимость повторного использования.
-
Краткий обзор методов работы.
Теоретическая часть:
-
Что такое солнечный элемент, устройство и принцип работы.
-
Как солнечный элемент преобразует свет в электричество.
-
Основные параметры: напряжение, ток.
-
Утилизация и повторное использование солнечных элементов.
Практическая часть:
-
Подготовка солнечных элементов.
-
Проверка работоспособности: измерение напряжения холостого хода и тока короткого замыкания.
-
Отбор хороших элементов.
-
Соединение солнечных элементов.
-
Закрепление элементов на фанере.
-
Подключение DC/DC-преобразователя и накопителя электрической энергии.
Заключение:
-
Выводы по проекту, улучшения и перспективы.
Введение.
Целью моего проекта стало создание своей собственной маленькой солнечной электростанции. Мне подарили маленький самолетик, пропеллер которого крутился при попадании на него солнечного света или света лампы. Папа рассказал о том, что на его крыльях расположены солнечные батареи, благодаря которым получается электричество, приводящее в движение пропеллер. Он работает на настоящей солнечной электростанции, и мы туда иногда ездим вместе.
Я хотел взять целую панель, но они большие и находятся в работе. Папа предложил попробовать сделать панель самостоятельно из частей битых модулей. Для их поиска мы поехали на солнечную электростанцию и очень быстро нашли такие модули. В большом количестве они хранятся на складе и ждут утилизации. Это очень дорогой процесс, и он приводит к загрязнению окружающей среды.
Мне предстояло выяснить какое количество электричества можно получить с такого поврежденного элемента и собрать из них свою солнечную электростанцию.
Поврежденные модули рассыпались на отдельные части, каждая из которых была маленьким фотоэлементом, в теории он должен вырабатывать напряжение 0,5 вольта и почти 6 ампер электрического тока.
-
Основная часть.
3.1. Теоретическая часть.
Солнечный элемент – это небольшое устройство, которое преобразует энергию солнечного света в электричество. Он является основным строительным элементом солнечных панелей. Один элемент вырабатывает сравнительно немного энергии, когда их соединяют вместе, они могут обеспечивать питание для различных устройств или даже целых зданий. Это происходит благодаря одному интересному свойству материала, из которого сделаны элементы – кремния. Кремний – это вещество, которое можно найти даже в песке, но в солнечных панелях он специальным образом очищен и подготовлен.
Когда на солнечный элемент падают лучи солнца, его поверхность начинает поглощать энергию света или по-другому фотоны. Внутри кремния есть маленькие частицы – электроны. Когда фотоны попадают на кремний, они "выталкивают" электроны из их мест. Эти свободные электроны начинают двигаться.
Солнечный элемент устроен так, чтобы направлять движение электронов в одну сторону. Для этого в нём есть два слоя. Верхний слой с избытком электронов (называется отрицательным, или n-слоем). Нижний слой с недостатком электронов (называется положительным, или p-слоем).
Когда электроны начинают двигаться от одного слоя к другому, возникает электрический ток. Стороны солнечного элемента соединены проводниками, которые собирают ток и передают его наружу.
Основными параметрами солнечного элемента являются напряжение холостого хода, это когда к нему не подключен потребитель, а только измерительный прибор и ток короткого замыкания, максимальный ток, который элемент может вырабатывать. Это зависит от размера элемента, его состояния и освещённости.
Солнечные панели – это экологически чистый источник энергии, но их утилизация и повторное использование являются важными проблемами. Срок службы стандартной солнечной панели составляет 20–30 лет, или она может выйти раньше из строя из-за снижения эффективности или механических повреждений.
Солнечные панели очень сложно утилизировать. Они состоят из стекла, алюминия, пластика и кремниевых пластин. Эти материалы сложно разделить, так как они плотно склеены. Некоторые панели содержат токсичные компоненты, такие как кадмий или свинец. Их неправильная утилизация может нанести вред окружающей среде.
С увеличением производства солнечных панелей, объём отходов тоже растёт. К 2050 году ожидается накопление миллионов тонн старых панелей.
Повторное использование – это эффективный способ минимизировать отходы и извлечь пользу из элементов, которые всё ещё способны работать.
Из пригодных элементов можно создавать мини солнечные панели. Такие панели можно использовать для зарядки батарей, питания светодиодов и других маломощных устройств.
Утилизация и повторное использование солнечных элементов – важный шаг к сохранению природы. Благодаря повторному применению мы можем не только сократить отходы, но и сделать солнечную энергетику доступнее и эффективнее.
3.2. Практическая часть.
Для использования солнечных элементов, нужно было очистить их от незакрепленных кусочков стекла. Все работы необходимо выполнять осторожно, использовать перчатки и защитную маску для лица.
После того как элементы были очищены необходимо проверить их характеристики. Что бы проверять модули в любое время, даже когда не светит солнце, я с папой собрал установку. Вместо солнца у нас была большая лампочка. Её света хватало для проверки состояния солнечных элементов.
Благодаря этой установке, я выяснил, что ток поврежденного элемента не больше 2 ампер, а напряжение 0,5 – 0,6 В. Оказалось, что не все поврежденные элементы пригодны к использованию. Часть из них не прошли проверку так как был очень низкий ток или напряжение.
Я проверял солнечные элементы и при прямом свете солнца на балконе. Наш кот также следил за процессом работ. Показания тока и напряжения были аналогичны значениям при проверке на нашей установке.
Значение напряжения Значение тока
Мы с папой собрали тестовый вариант из целых кусков уже соединенных солнечных элементов. При сборке я произвел подготовку проводников для соединений и припаял их к выводам солнечных элементов. Для тестирования у нас было 4 полоски из 6 элементов, всего 24 элемента. Соединив их, друг за другом получил напряжение около 12 В и ток 1 А. К выводам «+» и «–» я подключил специальный DC/DC преобразователь. Он помогает стабилизировать напряжение и у него уже есть USB разъем, характеристики преобразователя представлены в приложении. К преобразователю я подключил в качестве нагрузки накопитель энергии для зарядки телефонов.
Расположив элементы на солнце, моя экспериментальная солнечная электростанция смогла обеспечить зарядку накопителя. Максимальный зафиксированный мною ток составил 1,4 Ампера. Такой же ток потребляет накопитель при включении его к зарядному устройству от розетки. Это означает что поврежденные солнечные элементы можно использовать повторно.
Что бы собрать готовое устройство были использованы отдельные солнечные элементы, которые приклеили к фанере. В качестве проводников между элементами взяли проводники от непригодных солнечных элементов. В готовой солнечной панели, для удобства перемещения, взяли всего 12 солнечных элементов, даже этого количества хватило для зарядки накопителя. Её параметры напряжение 5 – 6В, ток до 1 А.
-
Заключение.
4.1. Выводы.
Мой проект показал, что даже битые солнечные панели можно использовать повторно. Это помогает решать несколько задач:
-
Уменьшить количество отходов солнечных панелей.
-
Создать полезное устройство, которое использует бесплатную солнечную энергию.
-
Обеспечить безопасность зарядки мобильных устройств, так как напряжение солнечной панели не опасно для жизни, в отличии от сетевой зарядки.
Я уверен, что такие проекты могут стать хорошим примером того, как бережно относиться к природе и использовать её ресурсы с умом.
4.2. Улучшения и перспективы.
Для повышения эффективности моей солнечной электростанции можно провести более тщательный подбор солнечных элементов. Во время проверки встречались экземпляры с более высокими показателями тока и напряжения. Например, у двух элементов ток превышал 3 А. Если отобрать все такие элементы, можно значительно повысить эффективность панели.
Если создать устройство, которое будет отслеживать положение солнца и поворачивать панель за ним, можно собрать больше энергии, чем при фиксированном положении панели. Я планирую собрать такое устройство в будущем.
На солнечной электростанции есть поврежденные модули, у которых целая поверхность, такие модули то же можно использовать в подобных проектах.
Хоть новые элементы и становятся дешевыми, но их создание приводит к появлению большого количества отходов.
Мой проект доказывает перспективность повторного использования имеющихся ресурсов.
-
Список используемой литературы.
-
Электронная книга по фотоэлектрическим системам. CBHonsberg и SGBowden, «Photovoltaics Education Website», www.pveducation.org , 2019, свободный.
-
Факты о солнечной энергии для детей, https://rus.lamscience.com/solar-energy-facts-kids , свободный.
-
Утилизация солнечных модулей (панелей). Проблемы, регулирование, практика. https://renen.ru/pv-recycling-problems-regulation-practice/, свободный.
Приложение 1. Технические характеристики применяемых устройств.
Понижающий DC-DC 2х5В 3А, 2 выхода USB.
-
Входное напряжение: 6 - 40В
Выходное напряжение: 5В USB
Максимальный ток: 3А
Частота преобразования: 150кГц
Размеры: 59х21х17мм
Цифровой тестер ULIKE USB-порта, вольтметр, амперметр, миллиампер KWS-V20.
Данное устройство предназначено для измерения тока, напряжения, времени заряда и заряженной емкости
-
Входное напряжение: 5 - 9В
Выходное напряжение: 5В USB
Максимальный ток: 3А
Портативный аккумулятор 20 000 mAh DEXP.
-
Входное напряжение: 5 В
Выходное напряжение: 5В USB
Максимальный ток: 2 А
Емкость: 20 000 мАч.
Приложение 1. Фотоматериалы. Видео материалы прилагаются к проекту.
Моя готовая солнечная электростанция.