III Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СВЕТОДИОДОВ НА ОСНОВЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
1. Аннотация
Ещё не так давно автономная система обеспечения электроэнергией была чем-то из области фантастики. Но в последнее время такие устройства приобретают большую популярность. Экономные жители европейских стран уже много лет пользуются солнечными батареями для обеспечения собственных домов электричеством. От солнечной батареи можно питать электроприемники, работающие на постоянном напряжении, в том числе различную портативную технику, энергосберегающие источники света, например, те же светодиодные лампы.
Солнечные батареи состоят из набора солнечных элементов (фотоэлектрических преобразователей), которые непосредственно преобразуют солнечную энергию в электрическую.
Большинство солнечных элементов производят из кремния, который стоит довольно дорого. Этот факт определят высокую стоимость электрической энергии, которая получается при использовании солнечных батарей. Однако инвестиция является рентабельной, так как солнечная батарея имеет ряд преимуществ, главное из которых – возможность бесперебойно получать электричество и поддерживать автономность от внешних источников электроэнергии. Фотоэлектрические системы за срок своей эксплуатации генерируют в разы больше энергии, чем было затрачено на их производство.
Несомненно, солнечная батарея – замечательный источник электричества, придуманный человеком. Но из-за того, что основой работы таких устройств является солнечный свет, то эффективность их работы падает в разы, если на улице дождь или тучи. Естественно, на сегодняшний день можно увеличить производительность солнечного источника электроэнергии в пасмурную погоду или зимой. Для этого были разработаны специальные приборы, отслеживающие положение солнца. Это позволяет моноблоку располагаться под правильным углом к источнику света.
Мощность распространенных сегодня систем солнечных батарей варьируется от 10 Вт (предназначены главным образом для освещения, а также малопотребляющих приборов: зарядки телефонов, ноутбуков, радио и т.п.) до 20 кВт (предназначены для нормального обеспечения электричеством отдельных объектов: жилых домов, производственных объектов и т.п.).
2. История
В 1839 году Антуан-Сезар Беккерель представил созданную им химическую батарею, которая под воздействием солнца вырабатывала электричество. Первая солнечная батарея имела КПД всего 1%. То есть только один процент солнечного света был преобразован в электричество.
В 1873 году Уиллоуби Смит обнаружил чувствительность селена к свету, а в 1877 году было обнаружено, что селен под воздействием света производит электрический ток.
Чарльз Фриттс в 1880 году использовал покрытый золотом селен для производства первого солнечного элемента, который также имел эффективность 1%. Тем не менее, Фриттс считал свои солнечные элементы революционными. Он предсказывал, что производимые солнечные батареи вскоре заменят существующие электростанции.
Основная часть
3. Принцип действия
Принцип действия солнечной батареи основан на том, что энергия солнца преобразуется в электрический ток (Приложение, Рисунок 1).
-
В двух кремниевых пластинах, покрытых разными веществами (бором и фосфором), под действием солнечного света возникает электрический ток.
-
В пластине, которая покрыта фосфором, появляются свободные электроны.
-
Отсутствующие частицы образуются в тех пластинах, которые покрыты бором.
-
Электроны начинают двигаться под действием света солнца. Так образуется электрический ток в солнечных батареях.
-
Тонкие жилы из меди, которыми покрыта каждая батарея, отводят от нее ток и направляют на установку ( Приложение, Рисунок 2)
-
.Электрический ток проходит через схему стабилизации и понижения напряжения до необходимого уровня
-
За счет вращения валов двигателей в разных плоскостях светодиоды образуют шар (Приложение, Рисунок 3, Рисунок 4)
4. Технические параметры изготовленного устройства
1. Габариты: (Ш×Г×В) 800×450×150 мм.
2. Вес: 1 кг.
2. Емкость солнечной батареи: 830 мАч.
3. Максимальная мощность солнечной батареи: 10 Вт.
4. Максимальная скорость вращения двигателей номинальным напряжением 12 В и 3 В: 4200 об/мин и 3200 об/мин соответственно.
5. Диаметр светодиодного LED-шара 70 мм.
6. Стабилитрон - тип КР142ЕН5А (КРЕН 5А).
7. Диод – тип 1n4001.
8. Емкость аккумуляторной батареи (2 шт): 1600 мАч.
9. Элемент питания CR2032.
5. Расходы ресурсов
Таблица 1. Расчет финансовых затрат
|
№ |
Финансовые расходы |
Кол-во, шт. |
Удельная стоимость, рублей/шт. |
Итого, руб. |
Вес, % |
|
1. |
Инструменты |
9 |
150 |
1350 |
30 |
|
2. |
Материалы |
19 |
90 |
1710 |
65 |
|
3. |
Прочие |
6 |
100 |
600 |
5 |
|
4. |
ИТОГО: |
34 |
340 |
3660 |
100% |
Таблица 2. Расчет временных затрат
|
№ |
Расход времени |
Расход, часов |
Вес, % |
|
1. |
Сбор исходной и технической информации |
14 |
17 |
|
2. |
Производство деталей, узлов, частей и соединений |
40 |
49 |
|
3. |
Закупки инструментов и материалов |
4 |
5 |
|
4. |
Сборка изделия |
18 |
22 |
|
5. |
Приведение изделия в презентабельный вид |
6 |
7 |
|
6. |
ИТОГО: |
82 |
100% |
6. Преимущества солнечных батарей
Преимуществами солнечных батарей как альтернативного источника электроэнергии являются стабильность, бесшумность, экологичность и высокая надежность. Солнечные модули, изготовленные по современным технологиям, рассчитаны на срок службы не менее 25 лет без значительных потерь в КПД. Само название «солнечный модуль» говорит о том, что для наращивания мощности используются модульные конструкции. Таким образом, можно достичь любой суммарной мощности системы.
Там, где нужна автономность, независимость от обычной электросети или сети нет вовсе, а подвести её дорого, там используются эти тихие, надежные, общедоступные и экологически чистые источники энергии.
Заключение
7. Выводы
По итогам выполнения работы были сделаны следующие выводы:
-
использование солнечной батареи как источника альтернативной энергии экономически оправдано;
-
изготовленная установка позволяет поддерживать автономность от внешних источников энергии (заряжать мобильное устройство, планшет, карманный фонарик и т.д.);
-
солнечная батарея не требует топлива, работает непрерывно порядка 25 лет, бесшумна, общедоступна, абсолютно безопасна для окружающей среды;
-
в отличие от ветрогенераторов и жидкотопливных систем, у которых мощность фиксированная, использование систем солнечных батарей дает возможность регулировать ее посредством изменения количества солнечных панелей в системе.
8. Литература
1)Интернет-ресурс http://ekobatarei.ru/energia/rasschitaem-moshhnost-nuzhnyx-solnechnyx
2)Интернет-ресурс http://electrik.info/main/news/401-kak-ustroeny-i-rabotayut-solnechnye-batarei.html
3)Интернет-ресурс https://elektro.guru/elektrooborudovanie/avtonomnoe-elektrichestvo/solnechnye-batarei-vidy-i-princip-raboty-preobrazovateley.html#kak
4)Интернет- ресурс http://www.solbat.su
5)Интернет-ресурс http://svetdv.ru/sun/index.shtml
6)В.М. Пестриков. Уроки радиотехника. Практическое использование современных радиоэлектронных схем и радиокомпонентов. Корона - Принт, 2011, 592 с.
7)Ф.А. Кушнарев, А.В. Коваленко. Организация энергетического производства. Москва. Энергоатомиздат, 2001, 288 с.
9. Приложение
Рисунок 1. Схема солнечной батареи
Рисунок 2. Схема изготовленной установки
Рисунок 3. Изготовленное устройство
Рисунок 4. Светодиодный LED-шар