XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Солнечная энергия и ее использование
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1. Введение
За последние несколько десятилетий потребность в устойчивой энергетике привела к увеличению числа разнообразных источников. И в связи с увеличением числа кампаний, посвященных экологическим проблемам, таким как истощение ресурсов, возобновляемая энергетика становится все более актуальной. Чтобы удовлетворить мировые потребности в энергии, вместо ископаемого топлива разрабатываются солнечные, ветровые, водные и геотермальные источники.
В своей работе я решил изучить солнечную энергию и солнечные батареи, а также исследовать зависимость напряжения и силы тока от расстояния между источником света и солнечной батареей.
2.1.1. Солнечная энергия
Солнечная энергетика – это отрасль науки и техники, разрабатывающая научные основы, методы и технические средства использования энергии солнечного излучения на Земле и в космосе для получения электрической, тепловой или других видов энергии и определяющая области и масштабы эффективного использования энергии Солнца в экономике страны.
Источник СИ – Солнце, которое имеет примерный радиус в 695300
км и массы около 2×10^30 кг. Температура поверхности Солнца – около 6000
С, внутри Солнца – около 4000000 С. В течение года Солнце излучает в
космическое пространство около 1,3×10^24 Кал. Земля движется вокруг
Солнца по эллиптической орбите с эксцентриситетом. При этом ее ось
вращения постоянно наклонена к плоскости ее вращения вокруг Солнца на
66 33’ или 66 55’. Расстояние от Земли до Солнца меняется в пределах от
147 до 152 млн.км (в среднем – 149, 6 млн.км)
Энергия солнечного излучения образуется в результате процесса
ядерного синтеза, происходящего на Солнце. Около 650 млн. тонн водорода
расплавляются в 645,7 млн. тонн гелия за одну секунду. При этом потеря
массы в 4,3 млн. т/сек выделяется в виде энергии, мощность Е (Вт) которой:
E = mc^2 = 4,3 ×10^9 × (2,99792458 ×108 )^2 = 3,845 ×10^26 ,
где m = 4,3 ×10^9 потеря массы, кг/с; c = 2,99792458 ×10^8 скорость света, м/с.
Как видно, солнцем излучается непрерывно огромный поток энергии.
Использование солнечной энергии означает использование энергии Солнца для выработки электроэнергии и тепла. Для этого используются такие технологии, как фотоэлектрические элементы (PV), которые преобразуют солнечный свет в электрический ток, и системы концентрированной солнечной энергии (CSP), которые используют зеркала для фокусировки солнечного света и получения тепла. Эффективность использования солнечной энергии зависит от таких факторов, как географическое положение, время суток и погодные условия. Используя инверторы, вы можете преобразовывать постоянный ток (DC) от солнечных панелей в переменный ток (AC) для повседневного использования. Солнечная энергия не только сокращает выбросы парниковых газов, но и обеспечивает значительную экономию средств.
По своей сути, солнечная энергия использует фотоны солнечного света для выработки электроэнергии за счет фотоэлектрического эффекта. Когда солнечный свет попадает на солнечную панель, он взаимодействует с полупроводниковыми материалами, такими как кремний. Это взаимодействие возбуждает электроны, создавая электрический ток. Чтобы по-настоящему понять этот процесс, необходимо учитывать два важных фактора: интенсивность солнечного излучения и его спектральное распределение. Интенсивность солнечного излучения измеряет мощность на единицу площади, получаемую от Солнца в виде электромагнитного излучения. Это важно, поскольку от этого зависит, сколько энергии ваши солнечные панели потенциально могут преобразовать в электричество. Интенсивность солнечного излучения может варьироваться в зависимости от географического положения, времени суток и погодных условий. Оптимизируя расположение панелей и угол наклона, вы можете максимально использовать высокую интенсивность солнечного излучения, повышая эффективность. Спектральное распределение, с другой стороны, относится к диапазону длин волн солнечного света. Разные длины волн несут разный уровень энергии. Солнечные панели предназначены для съемки широкого спектра, но они наиболее эффективны при определенных длинах волн. Понимание спектрального распределения помогает при выборе материалов и технологий, обеспечивающих максимальное поглощение энергии.
2.1.2. Фотоэлектрический эффект (фотоэффект) — явление взаимодействия света или другого электромагнитного излучения с веществом, при котором энергия фотонов передаётся электронам вещества. Впервые эффект наблюдал Генрих Герц в 1887 году, но теоретическое объяснение дал Альберт Эйнштейн в 1905 году на основе гипотезы Макса Планка о квантовой природе света.
Эффект возникает, когда энергия падающих фотонов превышает работу выхода материала — минимальную энергию, необходимую для освобождения электрона с поверхности. Например, ультрафиолетовый свет часто обеспечивает достаточно энергии для таких вылетов, в то время как видимый свет может быть недостаточным, в зависимости от работы выхода материала.
Законы
Некоторые законы внешнего фотоэффекта:
Первый закон — фототок насыщения (максимальное число фотоэлектронов, вырываемых из вещества за единицу времени) прямо пропорционален интенсивности падающего излучения.
Второй закон — максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего излучения и линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения.
Третий закон — 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.
Для большинства веществ фотоэффект возникает только под действием ультрафиолетового излучения. Однако некоторые металлы, например, литий, натрий и калий, испускают электроны и при облучении видимым светом.
По сути, фотоэлектрический эффект - это прямой процесс преобразования солнечного света в электричество без каких-либо движущихся частей или выбросов. Простота и надежность делают его идеальным решением для тех, кто стремится к независимости от традиционных электросетей.
2.1.3. Типы солнечных батарей
Существует несколько основных типов солнечных батарей, отличающихся материалом изготовления, технологией производства и КПД.
Монокристаллические солнечные панели
Изготавливаются из цельных кристаллов чистого кремния. Имеют высокий КПД (до 20−25%) благодаря однородному материалу. Отличаются компактностью и долговечностью. Однако стоят дороже поликристаллических аналогов.
Плюсы:
Высокий КПД даже при слабом освещении;
Долговечность (срок службы 25−30 лет);
Компактность (занимают меньше места при той же мощности).
Минусы:
Дороже поликристаллических аналогов;
Чувствительны к затемнению (при частичном затенении падает эффективность всей системы).
Где применяются: частные дома, коммерческие объекты, места с ограниченной площадью.
Поликристаллические солнечные панели
Производятся из множества мелких спрессованных кристаллов кремния. Их КПД ниже монокристаллических (около 15−20%), но цена доступнее. Применяются чаще в условиях ограниченного бюджета.
Плюсы:
Дешевле монокристаллических;
Менее требовательны к качеству сырья.
Минусы:
Ниже КПД и больше занимают места;
Сильнее теряют эффективность при нагреве.
Где применяются: дачи, промышленные солнечные станции, где важна низкая стоимость.
Тонкопленочные солнечные панели
Сделаны из тонких слоев аморфного кремния или альтернативных материалов (CdTe, CIGS). Легче и гибче классических панелей, легче интегрируются в конструкции. Эффективность ниже (примерно 10−15%). Подходят для больших площадей, архитектурных решений и мобильных устройств.
Плюсы:
Гибкость и легкость (можно монтировать на кривые поверхности);
Работают при рассеянном свете и высоких температурах;
Дешевле в производстве.
Минусы:
Быстрее деградируют (срок службы 10−15 лет);
Требуют большей площади для той же мощности.
Где применяются: портативная электроника, фасады зданий, временные установки.
Концентраторные солнечные модули
Включают линзы или зеркала, концентрирующие солнечный свет на небольшие высокоэффективные фотоэлементы. Достигают высоких уровней КПД (более 40%), однако применяются редко из-за сложности технологии и высокой стоимости.
Плюсы:
Высокий КПД (рекордные лабораторные показатели — до 47,6%);
Меньше полупроводникового материала;
Более эффективная работа при высоких температурах;
Экономия пространства.
Минусы:
Работают только при прямом солнечном свете;
Высокая начальная стоимость;
Чувствительность к загрязнениям.
Где применяют: крупные солнечные электростанции (например, в Чили, ОАЭ, США), космическая энергетика, гибридные системы (комбинация с традиционными PV или тепловыми концентраторами).
Органические и перовскитные солнечные панели
Новейшие разработки на основе органических соединений или минералов типа перовскита. Очень перспективны благодаря дешевизне и простоте производства. Пока имеют низкую эффективность (~10%) и недолговечны, но активно развиваются.
2.2. Практическая часть. Исследование зависимости напряжения и силы тока от расстояния между источником света и фотоэлементом.
Цель: понять, как изменяется напряжение и сила тока при приближении к источнику света.
Оборудование: фонарик, мультиметр, прибор по фотонометрии.
Для исследования мне понадобились фонарик, мультиметр, прибор по фотонометрии. Я расположил фонарик в 11 точках для более точных измерений.
В результате измерений силы тока и напряжения на этих расстояниях, я получил следующие данные:
|
I, мкА |
U, мВ |
l,см |
|
128 |
408 |
30 |
|
143 |
414 |
28 |
|
158 |
418 |
26 |
|
177 |
424 |
24 |
|
193 |
426 |
22 |
|
212 |
430 |
20 |
|
232 |
435 |
18 |
|
259 |
441 |
16 |
|
285 |
446 |
14 |
|
315 |
451 |
12 |
|
350 |
458 |
10 |
Увидеть зависимость можно на следующих графиках
Гафик1. Зависимость силы тока от расстояния
График 2. Зависимость напряжения от расстояния.
Вывод: легко можно заметить, что чем ближе источник света к фотоэлементу, тем больше сила тока и напряжение.
3. Заключение
В ходе практической части выявил, что чем ближе источник света, тем больше напряжение и мощность, выдаваемые солнечной батареей. Эти данные нужны для повышения эффективности работы солнечных батарей. Понимание того, как расстояние влияет на выдаваемую мощность позволит более эффективно располагать солнечные панели, чтобы максимизировать выработку энергии.
Также эти данные полезны при проектировании осветительных установок, имитирующих условия естественного солнечного излучения для исследования солнечных элементов. Точное представление о роли расстояния позволит проводить более достоверные исследования для повышения эффективности солнечных панелей.
Теперь у нас есть четкое представление о солнечной энергии. Используя энергию солнца, мы можете сократить выбросы углекислого газа и сэкономить на расходах на электроэнергию. Солнечные панели эффективно преобразуют солнечный свет в электричество, обеспечивая устойчивый источник энергии. Солнечная энергия, применяемая в самых разных областях, от бытовых до промышленных, меняет то, как мы питаем наш мир. Преимущества очевидны: она чистая, возобновляемая и становится все более доступной. Используйте солнечную энергию и вносите свой вклад в более экологичное будущее.
Список использованных источников и литературы
1.В.И.Виссарионов, Г.В.Дерюгина, В.А.Кузнецова, Н.К.Малинин. Солнечная энергетика. Москва:Издательский дом МЭИ, 2008 г.
2. Тимошкин С. Е. Солнечная энергетика и солнечные батареи. М., 1996 г.
3.Обозов А.Дж., Ботпаев Р.М.ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ. Бишкек, 2010 г.
4.https://fizmat.by/kursy/svet_kvantov/fotojeffekt
5.https://science.mail.ru/articles/5228-kak-rabotayut-solnechnye-batarei/
6.https://solarfaqs.co.ke/what-does-solar-energy-mean/