XXIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Создание солнечной батареи: эффективность и экологичность при её использовании

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Дронченко В.С. 1

---

1МБОУ Баганская СОШ №1,

Савва Е.Д. 1

---

1МБОУ Баганская СОШ №1,

Работа в формате PDF

399 KB

Введение

Являюсь учеником 10-го класса, на уроках физики мы изучали различные источники энергии, оказывается в мире есть различные источники энергии они истощаются. В условиях истощения запасов ископаемого топлива и усиления экологических проблем возрастает значимость возобновляемых источников энергии. Солнечные батареи — один из наиболее перспективных способов получения электроэнергии.

Актуальность:

Изучая различные предметы, я вижу, что человечество нуждается в электрической энергии каждый день. Утро каждого начинается с использования электрических приборов (например, чайник, фен и т.д.). На сегодняшний день стоит вопрос о необычных источниках энергии.

Основными преимуществами являются:

1. Экологическая чистота.

2.Неограниченность в использовании.

Предмет исследования:

Самодельная солнечная батарея.

Новизна исследования:

Заключается в том, что я впервые на уровне школьной лаборатории пробую создать солнечную батарейку.

Цель проекта:

Создать самодельную солнечную батарею из подручных материалов

Задачи:

1. Ознакомиться с принципом работы солнечной батареи.

2. Провести эксперимент по созданию самодельной солнечной батареи из подручных материалов.

3. Провести практические эксперименты по измерению КПД солнечной батареи.

Гипотеза:

Предположим, что из подручных материалов можно сделать солнечную батарейку.

Теоретическая значимость заключается в анализе специальной литературы.

Практическая значимость заключается в выводах по результатам эксперимента и создании солнечной батарейки.

1. Основная часть

Что такое солнечная энергетика и принципы её работы

Солнечная энергетика – отрасль, использующая энергию солнечного излучения для производства тепловой или электрической энергии. Основные методы включают преобразование солнечного света в электричество с помощью фотоэлектрических панелей (солнечная генерация) и использование тепла солнца для нагрева воды или воздуха (гелиотермальная энергетика). Это “зелёный” источник энергии, поскольку он возобновляем и не производит вредных выбросов во время работы.

Солнечная генерация: Фотоэлектрические панели преобразуют солнечную энергию в постоянный ток благодаря фотоэлектрическому эффекту. Этот постоянный ток затем преобразуется в переменный ток с помощью интервалов для использования в домах или подачи в общую электросеть.

Гелиотермальная энергетика: Солнечные коллекторы нагревают поверхность, которая, в свою очередь, нагревает жидкость (воду, специальные соли). Нагретая жидкость может использоваться для отопления, горячего водоснабжения или для привода паровых турбин, генерирующих электричество.

Солнечно-вакуумные электростанции: Это особый тип электростанций, где тепло от солнца нагревает воздух в большом закрытом пространстве. Разница температур создает воздушный поток, который вращает турбину, вырабатывая электричество.

Анализ экологичности солнечных батарей

Солнечные батареи экологически чисты во время эксплуатации, поскольку не производят выбросов парниковых газов и загрязняющих веществ, снижая зависимость от ископаемого топлива. Однако экологический след связан с производством панелей (использование энергии и химических веществ), их утилизацией и землепользованием для крупных станций. Тем не менее, в целом, суммарное воздействие значительно меньше, чем у традиционных источников энергии.

Преимущества для экологии:

1. Отсутствие выбросов: Во время работы не выделяют CO₂ или другие вредные вещества, в отличие от угольных или газовых электростанций.

2. Снижение загрязнения воздуха: Не выбрасывают оксиды серы и азота, что улучшает качество воздуха.

3. Экономия ресурсов: Снижают потребление водных ресурсов по сравнению с некоторыми другими видами электростанций.

Недостатки и экологические вызовы:

1. Производство: Процесс производства солнечных панелей требует значительных затрат энергии и использует химические вещества.

2. Утилизация: По окончании срока службы (около 25–30 лет) панели необходимо утилизировать, что требует специальных процессов переработки. Современные панели не содержат тяжелых металлов, что упрощает утилизацию.

3. Землепользование: Крупные солнечные электростанции могут занимать большие площади, что может приводить к потере среды обитания и другим воздействиям на ландшафт.

4. Особый случай: Крупные концентрирующие солнечные станции (башенного типа) с зеркалами могут представлять опасность для пролетающих птиц.

2. Практическая часть

Создание солнечных батарей является важным шагом к устойчивому энергетическому будущему, предлагая экологически чистый и экономически выгодный способ получения электроэнергии. Несмотря на текущие ограничения, такие как относительно низкий КПД и зависимость от погодных условий, постоянное развитие технологий позволяет повышать их эффективность и открывает новые возможности для применения солнечной энергии в самых разных сферах, от частных домов до глобальных энергетических систем.

Опыт «Создание солнечной батареи»

Цель:

Создать самодельную солнечную батарею из подручных материалов и измерить электроэнергию.

Оборудование и сырьё:

CD-диски, медная проволока, лампочка, эпоксидная смола, наждачная бумага, провода.

Ход эксперимента

1. Возьму шесть старых дисков, просверлив два отверстия в каждом диске (Приложение №1).

2. Каждый диск обмотаем медной проволокой (Приложение№2).

3. Соединим последовательно между собой диски (Приложение№3).

4. Зальем диски эпоксидной смолой на 24 часа.

5. Уберем форму заливки, удалим лишнее с помощью наждачной бумаги.

6. Возьму лампочку и подсоединим к собранной батарейки.

7. Разместить панель под прямыми солнечными лучами (угол наклона ~45°).

8. Подключить мультиметр в режиме измерения напряжения, зафиксировать значение U1​.

9. Переключить мультиметр в режим измерения силы тока, зафиксировать силу тока (I1)​.

10. Создать условия рассеянного света (накрыть панель полупрозрачной тканью или провести измерения в пасмурный день).

11. Повторить измерения напряжения (U2​) и силы тока (I2​).

12. Провести измерения при искусственном освещении (лампа на расстоянии 30 см).

13. Зафиксировать значения напряжения (U3)​ и силу тока ( I3)​.

14. Произвести расчеты (Приложение №4).

Результаты

1. При использовании CD-диски для корпуса, которые были заполнены эпоксидной смолой, созданная батарейка дала ток.

2. В результате лампочка загорелась на не большое время.

3. В результате вычислений мощность батарейки получилось очень маленькой.

4. КПД резко снижается при уменьшении интенсивности освещения.

Выводы

1. Солнечную батарею можно сделать из подручных средств.

2. Солнечная батарея - альтернативный источник энергии.

3. Солнечная батарея преобразуют солнечный свет в электричество, но их эффективность зависит от таких факторов, как ориентация, наличие солнечных дней и нагрев, а также от потерь на этапах преобразования и передачи энергии. Несмотря на первоначальные затраты и неполную эффективность, развитие технологий делает солнечную энергетику всё более доступной и важной для устойчивого будущего над этим вопросом ещё нужно работать.

Заключение

Начиная исследование, я поставил перед собой цель изобрести солнечную батарейку и измерить электроэнергию. 

В ходе решения задач исследовательской работы я узнал, что такое солнечная батарейка и разобрался с принципом ее работы.

Гипотеза исследования, в которой я предполагал, что из подручных материалов можно сделать солнечную батарейку - полностью подтвердилась.

На будущее планирую провести ряд экспериментов и постараться усилить силу тока, которого хватило бы на то, чтобы зарядить мобильный телефон.

И пусть у меня получилась не большая сила тока в данном эксперименте, но я буду продолжать исследование, так ка создание солнечной батареи является перспективным направлением, позволяющим преобразовывать бесплатную солнечную энергию в электричество, что снижает затраты на электроэнергию и уменьшает зависимость от сетей. Хотя современные батареи имеют КПД в диапазоне 15-30%, они обладают долговечностью и стойкостью, что делает их идеальным решением для многих задач, от бытовых приборов до космических полетов. Тем не менее, необходимо учитывать потери энергии на этапах преобразования и находить способы повышения эффективности до теоретически возможных 85-88%.

Список литературы

1. «Солнечная энергетика. Учебное пособие», Д.А. Королева, В.В. Шайдаков, В.А. Целищев (2023).

2. «Солнечные батареи своими руками. Расчёт и выбор солнечных элементов», Виталий Михайлюк (2017)

3. Карабанов С. Солнечная энергетика: современное состояние и перспективы развития //Живая электроника России. 1999.

4. Тимошкин С.Е. Солнечная энергетика и солнечные батареи. – М., 1966.

Приложение

Приложение №1

Приложение №2

Приложение №3

Приложение №4

Расчёты:
Мощность вычисляется по формуле:

P=U⋅I

КПД рассчитывается как:

η=Pвх​Pвых​​×100%

где:

• Pвых​ — измеренная мощность панели;

• Pвх​ — мощность падающего солнечного излучения (стандартно 1000 Вт/м² для прямых лучей).