VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Солнечные батареи и их практическое применение
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Что самое страшное для современного человека? Пожалуй, что остаться без электричества, телефонной (сотовой) и интернет-связи... Без электричества немыслима жизнь современного общества, ведь от него зависит всё на нашей планете: работа фабрик, заводов, котельных, радио- и телепередающих центров, магазинов и других объектов инфраструктуры...
Для выработки и получения электричества изпользуют энергию воды, энергию ветра и, конечно, энергию солнца!
Любой свет, передающийся от источника освещения, вызывают элементарные частицы – фотоны. Энергия фотонов частично поглощается металлами, которые, в свою очередь, выбрабатывают и выбрасывают электроны. Это явление получило название фотоэлектрический эффект, или — фотоэффект. Прямое преобразование световой энергии солнца в электрическую энергию, называется фотовольтаика. Именно эти процессы и легли в основу создания солнечных батарей!
Еще в древности люди начали задумываться о возможностях применения солнечной энергии. Согласно легенде, великий греческий ученый Архимед сжег неприятельский флот, осадивший его родной город Сиракузы, с помощью системы зажигательных зеркал. Доподлинно известно, что около 3000 лет назад султанский дворец в Турции отапливался водой, нагретой солнечной энергией. Древние жители Африки, Азии и Средиземноморья получали поваренную соль, выпаривая морскую воду. Однако больше всего людей привлекали опыты с зеркалами и увеличительными стеклами. Настоящий “солнечный бум” начался в XVIII столетии, когда наука, освобожденная от пут религиозных суеверий, пошла вперед семимильными шагами. Первые солнечные нагреватели появились во Франции. Естествоиспытатель Ж. Бюффон создал большое вогнутое зеркало, которое фокусировало в одной точке отраженные солнечные лучи. Это зеркало было способно в ясный день быстро воспламенить сухое дерево на расстоянии 68 метров. Вскоре после этого шведский ученый Н. Соссюр построил первый водонагреватель. Это был всего лишь деревянный ящик со стеклянной крышкой, однако вода, налитая в немудреное приспособление, нагревалась солнцем до 88°С. В 1774 году великий французский ученый А. Лавуазье впервые применил линзы для концентрации тепловой энергии солнца. Вскоре в Англии отшлифовали большое двояковыпуклое стекло, расплавлявшее чугун за три секунды и гранит – за минуту. Но всё это демонстрирует лишь превращение энергии солнца в тепловую энергию, а сами эти преобразователи называются солнечными коллекторами! Это «двоюродные» братья солнечных батарей!
История солнечных батарей берет свое начало с первой половины XIX века. В 1839 году было открыто лежащее в ее основе явление фотоэлектрического эффекта. Но тем не менее с тех пор прошло более ста лет, прежде чем произошло первое преобразование энергии света в электричество.
Современные фотоэлектрические солнечные панели представляют собой тонкие кремниевые пластины, которые преобразуют солнечный свет в электричество. Производство солнечных батарей сегодня как никогда актуально, т.к. они выступают в качестве источников энергии в широком спектре областей, в том числе в телекоммуникационной, космической отраслях, медицине, связи, микроэлектронике и т.п. Солнечные батареи в виде больших массивов используются в различных спутниках и солнечных электростанциях.
Первый фотоэлектрический элемент был создан в 1839 году 19-ти летним французом Эдмоном Беккерелем, впоследствии ставшим известным физиком. Он поместил хлорид серебра в кислый раствор, налитый в стеклянную колбу, ввел в нее электроды из платины и поставил на свет. Эдмон выяснил, что по электродам из колбы поступает слабый ток, но ему не удалось определить точный механизм этого процесса.
В 1873 году английский инженер Смит Уиллоуби описал фотопроводимость селена. Но сам факт существования фотоэффекта в 1887 году окончательно утвердил физик Генрих Герц. Экспериментируя с открытым конденсатором немецкий ученый установил его приемник в черную коробку, чтобы лучше различать появление искры, однако в темноте ее длина оказалась по каким-то причинам меньше. Пытаясь выяснить, что же влияет на длину искры, Герц решил осветить прибор ультрафиолетом и конденсатор стал испускать более длинные искры за меньшее время.
Первую в истории солнечных батарей ячейку, основанную на внешнем фотоэффекте, создал в 1888 году Александр Григорьевич Столетов. Явление фотоэффекта в 1905 году объяснил Альберт Эйнштейн, предположив, что свет может существовать лишь как пучок квантов.
До середины XX века ряд компаний занимались изучением фотоэлементов, пытаясь достичь более высокого коэффициента полезного действия (КПД), чем у селеновых ячеек – их производительность не превышала 0,5%. В СССР солнечную энергетику исследовали в Физико-техническом институте Борис Тимофеевич Коломиец и Юрий Петрович Маслаковец, под руководством академика Абрама Федоровича Иоффе. Созданные ими фотоэлектрические преобразователи показали высокий на тот момент – середина 30-х годов – коэффициент производительности, равный 1%. Несколькими годами позже значительного успеха достигла американская Bell Laboratories – КПД ее кремниевых ячеек составил 6%, правда, в лабораторных условиях.
25 апреля 1954 года газета «Нью-Йорк Таймс» на первой полосе поместила материал о сенсационном достижении ученых. Через некоторое время была достигнута эффективность 11%, и в 1955 году эти элементы были применены в качестве источника питания для телефонных усилителей. Совершенствовалась технология изготовления фотоэлементов, и вот уже в 1958 году в США, а через два месяца в СССР на орбиту вокруг Земли выводятся спутники, аппаратура которых частично питается от солнечных батарей. Но существовавшие на то время топливные системы и аккумуляторные батареи имели слишком большой вес.
В настоящее время производимые солнечные батареи пока не могут полностью удовлетворить потребности в энергии, но они стали основным источником энергии для обеспечения искусственных спутников Земли.
Солнечные батареи имеют большее значение соотношения вырабатываемой энергии к весу, чем все другие традиционные источники энергии, и являются экономически более эффективными.
Пока количество установленных крупномасштабных энергетических фотоэлектрических систем невелико. Большинство усилий направлено на обеспечение с их помощью электроэнергией отдаленных и труднодоступных мест. Мощность ежегодно устанавливаемых солнечных электростанций составляет около 50 мегаватт. Но солнечные батареи обеспечивают лишь около 1 % всей производимой в настоящее время электроэнергии. Сторонники солнечной энергетики утверждают, что количество солнечного излучения, достигающего поверхности Земли каждый год, могло бы легко обеспечить потребности в энергии несколько раз. Но история создания солнечных батарей должна пройти длинный путь, прежде чем осуществить мечту Чарльза Фриттса по получению бесплатной и доступной солнечной энергии.
В тех странах, которые находятся ближе к экватору и где количество ясных солнечных дней достаточно велико, применение солнечных батарей как никогда оправдывает себя! В Америке, Азии, Европе, Австралии и развитых странах Африки, уже многие годы энергия, получаемая и вырабатываемая при помощи солнечных батарей, используется в быту и на производственных предприятиях! Существуют целые поселки, твенным источником электроэнергии для которых служит энергия, получаемая от солнечных батарей! Этой энергии хватает для работы холодильников, стиральных машин, телевизоров, микроволновых печей, освещения и других потребителей электроэнергии, находящихся в распоряжении местных жителей в пределах таких поселков.
Приятно видеть то, что и в южных районах Российской Федерации последние годы все больше многоквартирных домов и коттеджей оснащаются солнечными батареями. Пусть они способны вырабатывать лишь часть необходимой для бытовых нужд электроэнергии, но это правильная тенденция!
Цель исследования
Изучить практическую сторону применения солнечных батарей в повседневной жизни
С помощью солнечной батареи (панели) создать в бытовых условиях зарядное устройство для телефона.
Предмет исследования
Внимательно изучив историю создания и развития солнечных батарей, я обратил пристальное внимание на устройство повседневной необходимости — на Power Bank.
Очень часто случается так, что батарея смартфона или планшета разряжается в самый не подходящий момент, а подзарядить её в дороге, в походе, на природе, в деревне или в лесу у многих нет возможности. Разумеется, можно купить один или два запасных аккумулятора и сменить их в случае крайней необходимости, но более уместно подзарядится от мобильного источника питания, именуемого Power Bank.
Power Bank — это устройство для накопления и хранения энергии (предварительно полученной из электрической сети или от солнечного света), за счет одного или пары аккумуляторов в небольшом корпусе. Так же его часто называют УМБ (универсальная мобильная батарея) или портативное зарядное устройство. Основное предназначение данного устройства – передавать электрический заряд смартфону, планшету или иной портативной электронике через USB кабель. На сегодня представлена масса производителей УМБ: Yoobao, Drobak, TP-LINK, но лидером считается Xiaomi, ввиду хорошего соотношения цены и качества.
Основное отличие любого УМБ – тип и емкость встроенной батареи измеряемого в миллиампер-часах (мАч), от чего очень варьируется форма, размеры и вес. В продаже можно встретить устройства от 500 до 20 000 и более мАч, размерами от губной помады до цифрового фотоаппарата или GPS-навигатора. Наиболее популярный тип аккумуляторов – литий-ионный (Li-Ion) типоразмера 18650, но иногда могут встречаться и литий-полимерные (Li-Pol), по типу тех, что применяются в смартфонах и планшетах.
Для контролирования уровня заряда или информации о процессе зарядки, каждый УМБ снабжен LED индикатором или ЖК-дисплеем. Второй вариант куда удобнее и информативнее, но встречается очень редко, преимущественно в дорогих устройствах. Чаще всего производители используют LED индикацию на 3-5 диодов, а иногда ограничиваются двумя. В последнем случае узнать остаток энергии невозможно, только когда батарея зарядилась или полностью села.
Для зарядки мобильной аппаратуры используется один или два USB порта, с одинаковой или разной силой тока, например 1А и 2А. Первый рационально использовать для телефонов и смартфонов, тогда как второй для планшетов или устройств, поддерживающих технологию быстрой зарядки.
В качестве материала корпуса чаще всего используют пластик, реже сплав на основе алюминия. Довольно распространена тенденция установки небольшого фонарика, а иногда можно встретить Power Bank со встроенной солнечной панелью, что ещё больше уменьшает зависимость от розетки, особенно вдали от дома. Именно это — использование солнечной батареи для зарядки мобильного телефона — вызвало у меня огромный интерес к данной теме!
И так..., когда я был на даче, вдали от дома, благ и цивилизации, мне попался в руки обычный садовый фонарик (светильник) «на солнечной батарее».
Я разобрал его, отделив солнечный элемент от корпуса и отсоединив провода. Всё остальное, что входило в состав фонарика, включая аккумулятор, светодиод (источник света), я отложил в сторону.
Затем я взял зарядное устройство от своего смартфона с разъемом micro-USB и обрезал его на расстоянии, примерно 10 см от разъема.
Затем я соединил провода от солнечной батареи с проводами отрезанного мной кусочка кабеля зарядного устройства (части с разъемом).
Угадать полярность с первого раза у меня не получилось. Я действовал последовательно, методом перебора, подсоединяя провода и обращая к свету солнечную батарею.
Наконец, когда я угадал нужную пару проводов, мой телефон начал заряжаться от солнечного света!
После этого, я аккуратно заизолировал провода в месте их состыковки изоляционной лентой.
Затем я поместил провода внутрь термоусадочной трубки, нагрел её при помощи спичек, и у меня получился аккуратный провод.
В оконцовке, я приклеил солнечную панель к чехлу своего смартфона на двухсторонний скотч.
Теперь меня не пугает отсутствие розеток. Я могу спокойно отправляться в поход, на сплав, в горы не боясь, что мой телефон разрядится!
Признаюсь, что мне досталась не достаточно мощная батарея, поэтому для эффективной работы моего изобретения необходим достаточно яркий свет. Или можно заменить солнечную батарею (панель) на более мощную и производительную, купив ее в специализированном магазине.
Я использую энергию солнца, чтобы заряжать свой телефон... А Вы?!
Заключение
На мой взгляд, значение и возможности солнечных батарей ещё не до конца оценены в современном обществе. Я считаю, что за ними большое будущее!
Не за горами то время, когда солнечные батареи будут вырабатывать электричество в каждом офисе, в каждом доме, в каждой квартире... Они будут обеспечивать электроэнергией производственные предприятия, медицинские учреждения, научно-исследовательские и проектные институты и т.д.
Конечно же, необходимо отметить то, что широкое распространение солнечные батареи получат в тех регионах, где много ясных солнечных дней.
В условиях повышенной облачности и, в частности, в пасмурную погоду, когда небо затянуто тучами, эффективность работы солнечных батарей снижается в десятки раз.
Но, я думаю, эти проблемы будут решены в обозримом будущем. Ученые, применяя все более совершенные материалы и технологии, будут способны увеличить КПД солнечных батарей!
Приложение
Список источников и литературы
http://energosberejenie.org/stati/istoriya-sozdaniya-solnechnykh-batarej
http://solarb.ru/istoriya-fotovoltaiki-i-sozdaniya-solnechnykh-batarei
http://www.domastroim.su/articles/electro/electro_1487.html
https://promplace.ru/articles/proizvodstvo-i-primenenie-solnechnih-batarej-52
http://sovet-ingenera.com/eco-energy/sun/princip-raboty-solnechnoj-batarei.html
https://androfon.ru/article/chto-takoe-power-bank