XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование солнечных панелей и применение их в быту и на производстве

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Богданова М.С. 1

---

1МАОУ” Гимназия № 17” г. Перми.

Кочнева Л.С. 1

---

1МАОУ” Гимназия № 17” г. Перми.

Работа в формате PDF

879.9 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ.

Энергия — фундаментальная основа существования человечества. Традиционно для её получения используются ископаемые виды топлива: уголь, нефть и природный газ. Однако их запасы не безграничны, и со временем они неизбежно будут исчерпаны. В связи с угрозой энергетического кризиса особую актуальность приобретает поиск альтернативных, возобновляемых источников энергии. Одним из таких направлений является солнечная энергетика: гелиоустановки преобразуют солнечное излучение в полезную энергию. Оно может применяться как для теплоснабжения, так и для генерации электричества посредством фотоэлектрических элементов, входящих в состав солнечных батарей. При прохождении через земную атмосферу интенсивность излучения снижается на 370 Вт/м², и при ясной погоде и положении Солнца в зените до поверхности планеты доходит 1000 Вт/м². Эта энергия задействована в разнообразных процессах — от естественного фотосинтеза, в ходе которого растения преобразуют её в химическую форму (кислород и органические соединения), до работы искусственных систем. Примечательно, что именно благодаря фотосинтезу в далёком прошлом сформировались запасы ископаемого топлива, включая нефть. Прямое использование солнечного тепла или преобразование энергии с помощью фотоэлементов позволяет вырабатывать электричество на солнечных электростанциях и решать другие практические задачи. Я решила выяснить степень полезности фотоэлементов и выполнила исследовательский проект «Исследование солнечных панелей и применение их в быту/производстве»

Цель работы: изучить солнечные панели как средство преобразования солнечной энергии в электрическую и рассмотреть рациональность их применения в быту/производстве.

Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи:

1. Изучить солнечные панели и их принцип действия .

2. Изучить применение солнечных панелей в быту/производстве.
3. Провести эксперименты с солнечными панелями, измерить их мощность и КПД.

4.Рассмотреть рациональность их использования в разных регионах нашей страны.

Объект исследования: солнечные панели.

Методы исследования:

1. Теоретический анализ.

2. Физические эксперименты.

3. Измерение.

4. Моделирование.

5. Обобщение полученных результатов.

Гипотеза: Коэффициент полезного действия фотоэлементов остаётся сравнительно низким — используется лишь малая часть мощности падающего солнечного излучения. При этом ключевое влияние на эффективность преобразования оказывает угол падения солнечных лучей на поверхность элемента.

Основная часть.

Теоретическая часть.

Солнечная панель – полупроводниковый прибор.

Солнечный свет — источник энергии не только для растений. Они используют его, чтобы синтезировать глюкозу из воды и CO₂. Аналогичный принцип преобразования энергии лежит в основе работы солнечных панелей. Главный компонент панели — кремниевый кристалл. В природе кремний обычно содержится в песке, поэтому для производства панелей его синтезируют: выращивают цилиндрические заготовки, придают им кубическую форму и режут на пластины толщиной 180 микрон.

Чтобы кремний мог генерировать ток, в него добавляют примеси:

• фосфор — создаёт избыток свободных электронов (полупроводник n‑типа);

• бор — формирует «дырки», то есть области с нехваткой электронов (полупроводник p‑типа).

Эти примеси называют донорными (фосфор) и акцепторными (бор) — они изменяют электрические свойства кремния, позволяя ему преобразовывать свет в ток.

Солнечная панель — это полупроводниковый прибор, который напрямую превращает энергию солнечного света в электричество. В основе её работы лежит явление внутреннего фотоэффекта: когда свет попадает на область p‑n‑перехода (место контакта двух разных полупроводников), электропроводность материала возрастает.

Полупроводники — это особые вещества. В отличие от проводников, они проводят ток не постоянно, а лишь при определённых условиях — например, под действием света, тепла или из‑за добавления небольшого количества примесей. Когда солнечный свет падает на p‑n‑переход, в материале появляется больше свободных электронов и «дырок» (мест, где электронов не хватает). Электрическое поле в зоне перехода направляет электроны в одну сторону (в полупроводник n‑типа), а «дырки» — в другую (в полупроводник p‑типа). Из‑за этого между слоями возникает разность потенциалов, и в подключённой цепи начинает течь ток.

А что же происходит со светом? Его энергия переносится фотонами — мельчайшими частицами электромагнитного поля. Фотоны:

• являются квантами (порциями) электромагнитного излучения;

• движутся со скоростью света;

• существуют только в движении — остановить фотон невозможно.

Поскольку фотон не может «замереть» на месте, его масса покоя равна нулю.

Принцип действия солнечных панелей.

Когда солнечный свет падает на кремниевую пластину солнечной панели, в каждой её точке генерируется электрический ток. Чтобы собрать и вывести этот ток, на поверхности пластины создают специальные проводящие дорожки — своего рода «каналы» для электричества. Даже одной такой пластины хватит, чтобы запитать небольшой карманный фонарик.

Чтобы увеличить мощность, пластины соединяют в единую панель — чем больше элементов в системе, тем выше её производительность. Для этого используют два способа соединения:

• последовательное — повышает выходное напряжение;

• параллельное — увеличивает выходной ток.

Часто применяют комбинацию обоих методов: это позволяет одновременно нарастить и ток, и напряжение, а также повышает надёжность системы — если один элемент выйдет из строя, остальные продолжат работать.

Интересно, что фотоэлементы реагируют не только на солнечный свет, но и на любой другой источник освещения. Проверить работоспособность собранной цепочки пластин можно просто: достаточно подключить клеммы и направить на панель свет — наличие напряжения подтвердит правильность сборки.

После тестирования элементы герметизируют плёнкой и накрывают стеклом, пропускающим ультрафиолет. Устанавливать солнечные панели можно практически в любом месте — даже в пасмурную погоду они продолжают вырабатывать энергию, хотя и с меньшей эффективностью.

Полученную электроэнергию накапливают в аккумуляторах — химических источниках тока. Зарядка происходит, когда приложенное напряжение превышает собственное напряжение аккумулятора. Важно правильно рассчитать число последовательно и параллельно соединённых элементов: рабочее напряжение должно немного превышать напряжение аккумуляторов (с учётом потерь в цепи), а ток — обеспечивать нужную скорость зарядки.

Например, для зарядки 12‑вольтовой свинцовой батареи потребуется панель из 36 элементов. При слабом освещении панель может отдавать энергию напрямую потребителю, поэтому аккумуляторы постоянно находятся в режиме циклической подзарядки и разрядки.

Виды солнечных элементов

Солнечные элементы бывают разных типов — они различаются структурой рабочей поверхности и технологией производства. Рассмотрим основные разновидности:

1. Фотоэлементы на основе аморфного кремния (их ещё называют плёночными). Это перспективное направление, особенно с учётом развития нанотехнологий, но пока оно не получило широкого промышленного распространения. Основная сложность — добиться одинаковой направленности кремниевых кристаллов по всей толщине рабочего слоя (80–100 микрон).

2. Фотоэлементы из монокристаллического кремния — самые эффективные и дорогие. Они неплохо работают даже в пасмурную погоду. Технология изготовления включает медленное остывание кремниевого расплава, в результате чего формируется слиток с монокристаллической структурой с одной стороны и однородной — с другой. После резки на пластины материал подвергают нескольким видам термообработки. Такие панели обычно имеют тёмно‑синий цвет и КПД до 17,5 % (по другим данным — до 24 %).

3. Фотоэлементы из поли‑ или мультикристаллического кремния. В процессе производства создают центры кристаллизации, формирующие мелкие кристаллы в слитке. Термообработка аналогична той, что применяется для монокристаллов, но электротехнические показатели у таких панелей ниже. Зато они заметно дешевле. Внешне их легко отличить по неоднородным участкам — разным оттенкам и очертаниям. КПД таких элементов достигает 15 % (или до 20 % по некоторым оценкам).

Наиболее распространены солнечные элементы из монокристаллического и поликристаллического кремния — они лидируют на рынке фотоэлектрических преобразователей.

Солнечные панели: плюсы и минусы

Плюсы:

• энергия солнца — бесплатна и неисчерпаема;

• экологически безопасны при эксплуатации;

• долгий срок службы;

• не зависят от цен на топливо;

• бесшумны;

• после окупаемости электричество фактически бесплатно;

• легко масштабируются (модульная система).

Минусы:

• высокая стоимость установки;

• невысокий КПД;

• работают только при достаточном освещении;

• не подходят для мощных приборов;

• требуют аккумуляторов и инверторов;

• содержат токсичные вещества — сложны в утилизации.

Солнечные панели в быту используются для преобразования солнечной энергии в электричество, что позволяет снизить зависимость от централизованной электросети, сократить расходы на электроэнергию и повысить экологичность энергопотребления. Они могут применяться как для полного автономного электроснабжения, так и в качестве дополнительного источника энергии. 

Основные сферы применения

1. Электрификация частных домов и дач. Солнечные панели устанавливают на крышах, фасадах или отдельно на участках. Они могут обеспечивать питание бытовых приборов (холодильника, телевизора, освещения) или полностью покрывать потребности дома в электроэнергии.(ПРИЛОЖЕНИЕ №1)

2. Зарядка мобильных устройств и гаджетов. Маломощные панели (до 50 Вт) с USB-разъёмами используются для питания смартфонов, ноутбуков, туристических холодильников и других устройств. (ПРИЛОЖЕНИЕ №1)

3. Резервное электроснабжение. В случае отключений централизованного электричества солнечные панели с аккумуляторами обеспечивают работу критически важных устройств (например, газового котла, системы отопления). 

4. Питание автономных объектов. Солнечные панели подходят для энергоснабжения удалённых объектов: охотничьих домиков, заимок, кемпингов, автодомов. 

5. Комбинированные системы. Иногда солнечные панели используют вместе с тепловыми насосами для отопления, горячего водоснабжения и кондиционирования. 

Как выбрать систему

При выборе солнечной системы учитывают:

• Потребность в энергии. Рассчитывается на основе суточного или годового потребления электроэнергии.

• Тип системы. Автономная (полностью независимая от сети), сетевая (подключается к централизованному электроснабжению), гибридная (сочетает оба варианта). 

• Климатические условия. В регионах с большим количеством солнечных дней в году эффективны монокристаллические панели. В пасмурных районах лучше подходят поликристаллические или аморфные.

• Бюджет. Монокристаллические панели дороже, но эффективнее, поликристаллические — более бюджетный вариант. 

Пример товара

Солнечная панель SILA SIM 240-12-10BB (240 Вт) — монокристаллическая модель с КПД до 21,17%. Подходит для автономного и резервного электроснабжения домов, дач, ферм. Гарантия — 10 лет, срок службы — не менее 30 лет.

Вывод

Солнечные панели — перспективный источник энергии для быта, особенно в регионах с хорошей инсоляцией и для объектов, где сложно подключить централизованное электроснабжение. Однако их эффективность зависит от множества факторов, а первоначальные инвестиции значительны. Перед установкой стоит провести детальный расчёт потребностей и учесть климатические условия.

Применение солнечных панелей на производстве.

В качестве примера и решила использовать завод “РОСОМЗ”

ОАО «Суксунский оптико-механический завод» (РОСОМЗ®) — российский производитель средств индивидуальной защиты (СИЗ) головы, глаз, лица, органа слуха и органов дыхания. Предприятие расположено в рабочем посёлке Суксун Пермского края. 

РОСОМЗ выпускает более 400 видов СИЗ, включая:

• защитные каски (общего назначения, шахтёрские, термоустойчивые, с люминесцентным эффектом);

• звукоизолирующие наушники;

• защитные очки (открытые, закрытые, козырьковые, герметичные, с коррекцией зрения);

• лицевые щитки (с наголовником, с фиксацией на каске);

• щитки и шлемы для сварщиков;

• средства защиты органов дыхания (СИЗОД и ФСИЗОД);

• спецодежду. 

Ежегодно на заводе разрабатывается и запускается в серийное производство до 20 новых моделей СИЗ.

На данном заводе солнечные панели используются в качестве дополнительного источника энергии (это позволяет уменьшить расходы на электричество).(ПРИЛОЖЕНИЕ №1)

Практическая часть.

Эксперимент №1.

Цель: выяснить зависимость напряжения ,силы тока и мощности от расстояния до источника света.

Оборудование: солнечная панель, амперметр, вольтметр, резистор на

1 Kом, источник прямых лучей (фонарь), штатив с муфтой и лапкой.

На некоторой высоте крепился фонарь и с помощью вольтметра и амперметра я измеряла напряжение и силу тока. Затем я меняла высоту и повторяла опыт.

Результаты опытов:

Вывод: Чем меньше расстояние от панели до источника света, тем выше показатели напряжения ,силы тока и мощности.

Эксперимент №2.

Цель: выяснить зависимость напряжения ,силы тока и мощности солнечной панели от угла падения лучей.

Оборудование: солнечная панель, амперметр, вольтметр, резистор на

1 Kом, источник прямых лучей (фонарь), установка с транспортиром (ПРИЛОЖЕНИЕ №2), штатив с муфтой и лапкой.

На некоторой высоте крепился фонарь и с помощью вольтметра и амперметра я измерила напряжение и силу тока. Затем я меняла угол наклона пластины фотоэлемента и повторяла опыт.

Результаты опытов:

Вывод: Чем больше угол наклона панели, от горизонта, тем меньше напряжение , сила тока и мощность. Самый большой ток возникает при падении луча под углом 90⁰ на фотоэлемент (угол наклона панели 0).

Эксперимент №3.

Цель: выяснить зависимость мощности солнечных панелей, используемых на предприятии ”РОСОМЗ” от интенсивности солнечной энергии по месяцам.

Результаты опытов:

Вывод: В летние месяцы показатели выше ,чем в остальные потому, что солнце находится в пике активности и летние дни длиннее зимних. Самый высокий показатель в июле.

Эксперимент №4.

Цель: выяснить зависимость мощности солнечных панелей, используемых на предприятии”РОСОМЗ” от интенсивности солнечной энергии в июле месяце.

Результаты опытов:

Вывод: Самый высокий показатель в середине месяца, в разгар солнечной активности.

Эксперимент №5.

Цель: выяснить зависимость эффективности использования солнечных панелей, используемых в России от местоположения.

Результаты опытов:

Вывод: Самые эффективные места для установки солнечных панелей это южные части России. На юге России самая высокая солнечная радиация, соответственно и эффективность использования солнечных панелей самая высокая.

Заключение

Исследование посвящено изучению возможностей солнечных панелей как альтернативного источника энергии. В ходе работы удалось выяснить, от чего зависят характеристики тока, вырабатываемого такими панелями.

Сначала был изучен сам механизм преобразования солнечной энергии в электрическую и сферы, где уже применяются солнечные панели. Затем — проведены эксперименты, которые подтвердили: фотоэлементы задействуют лишь малую долю мощности солнечного излучения.

Ключевые выводы:

• Эффективность батареи напрямую зависит от яркости света, погоды, угла падения лучей и местоположения .

• Использовать солнечные батареи можно и в помещении, и на улице, но лучший результат дают прямые солнечные лучи в ясный день.

• Главное преимущество — универсальность и экологичность: нет отходов, не нужно подключать к электросети.

• Главные ограничения — хрупкость конструкции и потребность в большой площади для выработки достаточной мощности.

Хотя солнечные батареи пока уступают топливным источникам по мощности, их потенциал огромен. Они могут стать основой для экологически чистого транспорта и применяться во многих отраслях без вреда для природы. Совершенствование технологий, адекватное финансирование и адаптация к климатическим условиям разных стран способны устранить существующие недостатки. Поэтому можно с уверенностью назвать солнечные батареи одним из самых перспективных источников энергии для транспорта.

Источники:

1. Завод “РОСОМЗ” https://rosomz.ru/

2. Виды солнечных паелей https://e-solarpower.ru/stati/vidy-i-razlichiya-solnechnyh-batarej/

3. Данные о солнечных панелях и их применение https://t.me/Sunways_PV_Systems

4. Использование и установка солнечных панелей https://t.me/autonomoushouseoftheworker

5. История и устройство солнечных панелей https://moluch.ru/young/archive/13/1028

ПРИЛОЖЕНИЕ №1

Завод РОСОМЗ в Суксуне.

1. Электрификация частных домов и дач.

2.Зарядка мобильных устройств и гаджетов.

ПРИЛОЖЕНИЕ №2

Установка для изменения угла наклона панели.