XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование зависимости электрических характеристик элемента солнечной батареи в зависимости от освещенности этого элемента

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Левченков Д.А. 1

---

1Школа №2120

Муралова Т.Н. 1

---

1ГБОУ школа №2120 ш6

Работа в формате PDF

461.7 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

1. Введение

1.1 Цель научной работы

Цель научной работы заключается в том, чтобы исследовать зависимость электрических характеристик элемента солнечной батареи в зависимости от освещенности этого элемента.

1.2 Задачи научной работы

Задачами научной работы являются:

• изучить понятие «солнечная батарея», «электрические характеристики элемента солнечной батареи» и «солнечная электростанция»;

• провести исследование зависимости электрических характеристик элемента солнечной батареи в зависимости от освещенности этого элемента;

• проанализировать и дать интерпретацию полученных в исследовании данных;

• дать оценку полученных результатов в исследовании.

1.3 Актуальность научной работы

На текущий момент ученые по всему миру продолжают исследовать возможности и особенности солнечных батарей для того, чтобы солнечная энергетика стала более доступной и эффективной на нашей планете и в космосе. Несмотря на сложность технологического процесса, сравнительно низкий коэффициент полезного действия, потребность в больших площадях, необходимых для их эксплуатации, солнечные батареи по-прежнему используются для обеспечения электричеством и/или подзарядки аккумуляторов космических аппаратов, оборудования на судах, в сельских районах, где отсутствует подключение к общей энергосети.

Но, к сожалению, сегодняшние технологии позволяют использовать лишь 0,002 % солнечной энергии, которая достигает поверхности Земли, что свидетельствует о малой изученности данной темы.

Основными достоинствами использования солнечных батарей являются экологичность, независимость от энергосетей, экономичность и долговечность, возможность повсеместного использования, в том числе как источника энергии на спутниках и космических станциях³.

На текущий момент эффективность установок, которые извлекают энергию из возобновляемых источников, всего 20-30 %⁵. Что, на мой взгляд, подчеркивает необходимость продолжать исследования солнечных батарей в области увеличения их коэффициента полезного действия и использования органических материалов.

В своей работе мне хотелось бы осветить высокий потенциал солнечных электростанций в будущем, которые могут стать полноправными альтернативами других источников энергии. Например, традиционных ископаемых видов топлива (природный газ, нефть, уголь), на которые на текущий момент в мировом энергобалансе приходится 84 %⁵.

Мировые тренды в сфере солнечной энергетики подтверждают актуальность выбранной темы. К ним можно отнести:

• Снижение стоимости солнечных технологий, что делает солнечную энергию все более конкурентоспособной по сравнению с традиционными источниками энергии.

• Рост масштабов производства, который поддерживается на государственном уровне.

• Развитие технологий накопления энергии, к которым можно отнести аккумуляторные батареи и системы накопления на основе водорода⁴.

В России развитие солнечная энергетики продолжается и сейчас. В 2013 году принят закон «Об энергосбережении», который закрепил поддержку возобновляемых источников энергии (ВИЭ). К 2021 году в Российской Федерации было построено больше 70 солнечных электростанций.

Таким образом, солнечная энергетика является одним из ключевых направлений перехода к низкоуглеродной экономике.

1.4 Объект и предмет исследования

Объект исследования: солнечная батарея и ее электрические характеристики.

Предмет исследования: взаимосвязи электрических характеристик солнечной батареи в зависимости от освещенности.

1.5 Описание методов исследования

Теоретические методы: анализ и обобщение литературы по объекту исследования.

Эмпирические методы исследования: наблюдение, эксперимент.

2. Основная часть

2.1 Теоретическая часть

2.1.1 Солнечная батарея, элемент солнечной батареи

Солнечная батарея – солнечные панели, соединенные между собой, источник электрического тока на основе нескольких фотоэлементов, объединённых для получения требуемой мощности в панель.

Солнечная панель характеризуется электрическими (например, напряжением холостого хода и током короткого замыкания), механическими и термическими свойствами. В своей работе я остановился на изучении электрических характеристик солнечной батареи.

Солнечные батареи различают по способу конструирования (кристаллические пластины, тонкие плёнки, многопереходные структуры и другие) и рабочему материалу (кремний, арсенид галлия, теллурид кадмия и другие)¹.

Элемент солнечной батареи - полупроводниковое устройство, преобразующее солнечный свет непосредственно в постоянный электрический ток. Основу составляет кремний (моно- или поликристаллический), покрытый антиотражающим слоем, защищенный стеклом и металлической рамкой.

С момента появления в 1954 году первых фотоэлектрических панелей их свойства и характеристика постоянно улучшаются. Так, например, мощность солнечных панелей на кремниевых ячейках выросла с 42 Вт/м² до 230 Вт/м² в 2025 году (на основании исследований Джона Перлина).

2.1.2 Электрические характеристики солнечной батареи

Электрические характеристики солнечных батарей описывают их способность преобразовывать солнечный свет в электроэнергию.

Основные электрические параметры (STC): 

• Пиковая электрическая мощность (Pmax, Vm, Im) - максимальная мощность, которую выдает панель (обычно 250–400 Вт для стандартных панелей).

• Напряжение холостого хода (Voc) - максимальное напряжение на выходе панели при разомкнутой цепи (обычно от 21,7 В до 43,2 В). Оно зависит от материала солнечных ячеек и условий освещения.

• Ток короткого замыкания (Isc) – это максимальный ток при замкнутой цепи, при котором напряжение равно нулю (короткое замыкание). Этот параметр показывает способность панели генерировать ток при максимальном освещении.

• Напряжение в точке максимальной мощности – это рабочие параметры, при которых панель генерирует максимум энергии.

• КПД (коэффициент полезного действия) - эффективность преобразования солнечного света, обычно 17-23%.

• Температурный коэффициент - падение эффективности при нагреве, составляющее около 0,4-0,5% на каждый градус выше 25°C. 

2.1.3 Солнечные электростанции

Солнечные электростанции – это сложные комплексы, которые состоят из фотоэлектрических панелей, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую, а также из системы слежения за солнцем, системы аккумулирования энергии, системы инверторов, системы мониторинга и управления.

Принцип работы фотоэлектрических панелей основан на фотоэлектрическом эффекте, открытом в 1839 году французским физиком Александром Эдмондом Беккерелем. Наблюдение Беккереля была подтверждено в 1873 году английским инженером-электриком Уиллоуби Смитом. Он выяснил, что заряд может быть вызван попаданием света на селен.

Фотоэлектрические панели содержат множество фотоэлектрических ячеек, обычно изготовленных из кремния. Когда солнечные лучи падают на эти ячейки, фотоны солнечного света выбивают электроны из атомов кремния, создавая тем самым электрический ток. Данный ток затем собирается и преобразуется в переменный ток с помощью инверторов⁴.

В России работают следующие солнечные электростанции (СЭС): Аршанская СЭС, СЭС «Перово», Старомарьевская СЭС, СЭС «Охотниково» и другие.

При размещении солнечных электростанций учитываются следующие факторы: природные (солнечная радиация, рельеф, климатические условия, осадки, снеговая нагрузка, ветер), экономические (уровень стоимости энергии, близость к инфраструктуре, наличие свободных земель, доступность и расстояние от национальной дороги, расстояние от существующих линий электропередач, необходимость в аккумулировании энергии), социальные (влияние на местное население, общественное мнение, образование и просвещение, учет ограничений), экологические (влияние на экосистему, изъятие земель, ограничение на строительство в определенных зонах, учет потенциала для стихийных бедствий).

2.2 Практическая часть (исследование)

2.2.1. Описание методов и инструментов исследования

• Вольтметр – прибор для измерения электродвижущей силы (ЭДС) или напряжения (в мкВ, мВ, В или кВ) в электрических цепях; включается параллельно нагрузке² (Приложение 1).

• Элемент солнечной батареи – полупроводниковое устройство (Приложение 1).

• Макетная плата – универсальная печатная плата для сборки и моделирования прототипов электронных устройств (Приложение 1).

• Резистор 1 Вт – промышленное изделие, основное функциональное назначение которого – оказывать известное активное сопротивление электрическому току. Резистор характеризуют номинальным значением сопротивления². В нашем случае – 1 Вт (Приложение 1).

• Лампа накаливания с мощностью светильника 40 Вт– источник рассеянного света (Приложение 1).

• Рулетка –инструмент со штриховой гибкой шкалой (лентой) для измерения линейных размеров² (Приложение 1).

• Люксметр – прибор для измерения освещенности, один из видов фотометров. Простейший люксметр состоит из фотоэлемента и микроамперметра, проградуированного в люксах ². В нашем исследовании мы применили приложение Lux на мобильном телефоне, который показал значение 250 люмен (Лм).

2.2.2. Описание схемы эксперимента

2.2.2.1 Подготовка эксперимента

На одной оси я расположил источник света и держатель элемента солнечной батареи с установленной в нём солнечной батареей. Затем подготовил все оставшиеся и необходимые для эксперимента инструменты.

2.2.2.2 Основная часть эксперимента

Эксперимент запланирован в два этапа по следующему плану.

Этап 1. При отсутствии полезной нагрузки

• Измерить напряжение холостого хода, которое возникает на концах источника постоянного тока при отсутствии какой-либо полезной нагрузки (т.е. при отсутствии в схеме тока).

• Подключить провода солнечной к макетной плате.

• Осуществить проверку: убедиться, что между проводами элемента солнечной батареи нет короткого замыкания.

• Через макетную плату необходимо подключить вольтметр: красный щуп подключить к красному проводу элемента солнечной батареи, чёрный – к чёрному.

• Установить источник света к элементу питания на расстояние 10 см, при этом плоскость элемента солнечной батареи необходимо расположить параллельно дефлектору источника света.

• Осуществить проверку: при измерении значений напряжения холостого хода необходимо убедиться, что никакими другими источниками света извне элемент солнечной батареи не освещается. Записать значение вольтметра в Таблицу 1 (Приложение 2).

Этап 2. При наличии полезной нагрузки.

• Подключить резистор параллельно элементу солнечного питания и установить источник на расстояние 10 см.

• Записать измеренное значение в Таблицу 2 (Приложение 2).

• Указать вычисленное значение тока при известном значении сопротивления и измеренном значении напряжения по формуле:

где:

I - вычисленное значение тока, Ампер

U – измеренное значение напряжение, В,

R – значение сопротивления, установленного параллельно элементу солнечного питания, Ом.

3. Заключение

В рамках научной работы мне удалось познакомиться с такими понятиями, как «солнечная батарея», «электрические характеристики элемента солнечной батареи» и «солнечная электростанция». Очевидно, что тема актуальная и перспективная, требующая дальнейшего изучения и извлечения уроков прошлого.

Также я провел исследование, в результате которого я получил подтверждение, что солнечная батарея производит электричество пока на неё попадает свет от источника, при этом она не накапливает и не хранит (не заряжает) энергию.

Как только источник света исчезает, то пропадает и электричество в элементе солнечной батареи, то есть в темное время суток аккумулятор отдает солнечную активность.

Второй вывод, который возник в результате исследования является, что источник рассеянного света (лампа накаливания) равномерно освещает всю поверхность ячейки данного размера.

Таким образом, для увеличения коэффициента полезного действия необходимо спроектировать модуль накапливания и удержания энергии солнечного света, который сможет постоянно воздействовать на элементы солнечной батареи и поддерживать в них электричество, несмотря на наличие источника света.

Список литературы

1. Ермолович А.В. Большая российская энциклопедия. - 2015 г.

2.«Как солнечная батарея превращает свет в электричество, и причем тут Эйнштейн» (онлайн издание Энергия+, подкаст). - 2024 г.

2. Советский энциклопедический словарь, издательство «Советская энциклопедия», Москва. -1981 г.

3. Интернет-портал Дзен, статья «10 преимуществ и 6 недостатков солнечных панелей».- 24 июля 2023 г.

4. Интернет-источник, статья «Роль и перспективы солнечных электростанций» (https://www.elektro-expo.ru/ru/articles/24007/?ysclid=ml3yyqxsq9675446191)

5. Велижанин А.А., Мингалеева Р.Д., Бессель В.В., Серовайский А.Ю. Изучение устройства и принципа действия солнечного коллектора. - Москва. - 2023 г.

Приложение 1. Инструменты исследования

Приложение 2. Данные, полученные в ходе эксперимента

Таблица 1. При отсутствии полезной нагрузки

Таблица 2. При наличии полезной нагрузки