IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
СОЛНЕЧНЫЕ БАТАРЕИ
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Главным аспектом выбора данной темы для выступления на научно-практической конференции послужила актуальность идеи солнечных батарей.
С каждым днём становится всё меньше угля, природного газа и нефти, соответственно, цена на них растёт. Со временем настанет тот день, когда они иссякнут. Следовательно, нужно искать альтернативные источники энергии. Одним из таких источников служит использование солнечных батарей.
Энергию солнечных батарей можно использовать как для освещения дома, так и для отопления. Прямое нагревание солнечными лучами или преобразование энергии с помощью фотоэлементов может быть использовано для производства электроэнергии. Их использование выгодно не только для пользователей, но и для всей планеты в целом, так как экономятся природные ресурсы. К тому же, это оборудование экологически чистое, не вредит окружающей среде.
Цель работы:
Изучить факторы, влияющие на коэффициент полезного действия солнечной батареи.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Собрать информацию по данной теме.
2. Изучить принцип работы солнечных батарей.
3. Собрать модель солнечной батареи.
4. Провести ряд экспериментов, направленных на получение напряжения от солнечной батареи.
5. Проанализировать полученные данные.
Основная часть
Устройство и принцип действия солнечной батареи.
Солнечные панели представляют собой несколько фотоэлементов, объединенных между собой. Они преобразуют солнечную энергию в постоянный электрический ток благодаря фотоэлектрическому эффекту.
Солнечные батареи состоят не из одного элемента, а из нескольких сразу, так как одной панели бывает недостаточно, чтобы снабдить энергией целых дом. Поэтому несколько штук собирают в одну конструкцию. Причем от типа соединения панелей зависит итоговый показатель. Так, если они соединены последовательно, увеличивается напряжение сети. При параллельном соединении увеличивается сила тока.
Общая мощность солнечной батареи зависит от числа соединенных между собой элементов. Чем их больше — тем больше и энергии.
Батареи имеют довольно хрупкую поверхность. Поэтому нуждаются в дополнительной защите. Так что фотоэлементы прикрывают специальным корпусом со стеклом. Через него свободно проникает свет, но при этом никаких механических и химических воздействий не производится. Целостность не нарушается.
Принцип работы солнечной батареи заключается в эффекте полупроводников. Кремний является одним из самых эффективных полупроводников, из известных человечеству на данный момент. При нагревании фотоэлемента электроны из атомов кремния высвобождаются, после чего их захватывают атомы нижней пластины. Электроны стремятся вернуться в свое первоначальное положение. Соответственно, с нижней пластины электроны двигаются по проводникам, отдавая свою энергию на зарядку аккумуляторов и возвращаясь в верхнюю пластину.
Использование солнечных батарей.
- Портативная электроника;
- Электромобили;
- Авиация;
- Энергообеспечение зданий;
- Энергообеспечение населённых пунктов;
- Дорожное покрытие;
- Использование в космосе;
Преимущества и недостатки солнечных батарей
Преимущества:
1) Бесплатно. Одно из главных преимуществ энергии солнца – это отсутствие платы за неё. Солнечные панели делаются с использованием кремния, запасов которого достаточно много;
2) Нет побочного действия. Процесс преобразования энергии происходит без шума, вредных выбросов и отходов, воздействия на окружающую среду. Этого нельзя сказать о тепловой, гидро и атомной энергетике;
3) Безопасность и надёжность. Оборудование долговечное. После 20─25 лет использования фотоэлементы выдают до 80 процентов от своего номинала;
4) Рециркуляция. Солнечные панели полностью перерабатываются и могут быть снова использованы в производстве;
5) Простота обслуживания. Оборудование довольно просто разворачивается и работает в автономном режиме;
6) Хорошо адаптированы для использования в частных домах;
7) Хорошо интегрируются в качестве вспомогательных систем энергоснабжения.
Недостатки:
1) Эффективность зависит от времени суток и погоды. Нерентабельно использовать в высоких широтах;
2) Требуется аккумулировать преобразованную энергию;
3) Первоначальные вложения высокие;
4) Периодически нужно делать очистку панелей от загрязнения;
5) Для размещения требуется большая площадь;
6) Некоторые фотоэлементы имеют в своём составе Pb, Cd, мышьяк, что усложняет и переработку;
Низкий КПД.
Эффективность работы солнечных батарей.
На эффективность работы солнечных батарей оказывают влияние несколько факторов:
- температура;
- угол падения солнечных лучей;
- чистота поверхности;
- отсутствие тени;
- погода.
При работе фотоэлементы нагреваются, и это отрицательно сказывается на эффективности их работы. Чтобы избежать потерь при преобразовании энергии следует оставлять пространство между панелями и поверхностью, где они закреплены. Тогда под ними будет проходить поток воздуха и охлаждать их.
В идеале угол падения солнечных лучей на поверхность фотоэлемента должен быть прямым. При прочих равных в этом случае будет максимальная эффективность.
Несколько раз в год обязательно нужно мыть и протирать панели. Ведь КПД фотоэлектрических панелей прямо зависит от падающего света, а значит, от чистоты поверхности. Если на поверхности есть загрязнения, то эффективность солнечных батарей будет снижаться.
Важно сделать правильную установку батарей. Это означает, что на них не должна падать тень. Иначе эффективность системы в целом будет сильно снижаться. Крайне желательно устанавливать фотоэлементы на южной стороне.
Что касается погоды, то от неё также зависит очень многое. Чем ближе ваш регион к экватору, тем большая плотность излучения будет попадать солнечного излучения на панели.
Низкий КПД солнечных батарей является их основным недостатком. Квадратный метр современных фотоэлементов обеспечивает выработку 15─20 процентов от мощности солнечного излучения, попадающего на него. И это при самых благоприятных условиях эксплуатации. В результате для обеспечения необходимого энергоснабжения требуется установка множества солнечных панелей большой площади.
Разработки, направленные на увеличение КПД солнечных батарей.
В последние годы учёные по всему миру заявляют о разработке технологий, увеличивающих КПД солнечных модулей. Не все из них являются применимыми к реальным условиям эксплуатации, но некоторые из них заслуживают внимания. Так специалисты Sharp разработали фотоэлектрические элементы с эффективностью 43,5 процента. Такое увеличение было получено благодаря установке линзы, которая фокусирует получаемую энергию прямо в элементе.
Физики из Германии разработали фотоэлемент, площадь которого всего несколько квадратных миллиметров. Он состоит из четырёх слоёв полупроводников. Полученный ими КПД составил 44,7 процента. Здесь эффективность была увеличена за счёт размещения в фокус вогнутого зеркала.
В Стэнфорде был получен жаропрочный композит, который может быть использован для увеличения производительности фотоэлектрических панелей. В теории можно получить КПД близкий к 80 процентам. Этот композитный материал может перевести высокочастотное излучение в инфракрасный спектр, за счёт чего резко увеличивается эффективность.
Другие британские специалисты разработали технологию, которая увеличивает эффективность фотоэлементов на 22 процента. На гладкой поверхности гибких панелей они нанесли алюминиевые шипы наноразмера. Алюминий рассеивает солнечный свет, поэтому был выбран он. В результате увеличивается количество энергии солнца, которое поглощается фотоэлементом. За счёт этого удалось добиться увеличения эффективности.
Описание эксперимента и анализ полученных данных.
Сборка прототипов солнечных батарей:
Подбор поверхности.
Подбор количества стабилитронов. (КС-168А)
Придание проволоке нужную для эксперимента форму.
Спайка согласно полярности стабилитронов.
Эксперимент№1
Название: Изучение изменения напряжения на солнечных батареях от угла падения солнечный лучей.
Цель работы: Выявление напряжения на самодельной солнечной батарее с изменением угла падения солнечных лучей.
Оборудование: самодельная солнечная батарея, состоящая из 3 стабилитронов, медной проволоки, CD-диска; мультиметр, транспортир.
Ход работы: 1. Собрать прототип солнечной батареи из 3 последовательно связанных медными проводами стабилитронов.
Подключить мультметр.
Проследить изменение напряжения на солнечной батарее в зависимости от угла падения солнечных лучей.
Написать вывод, опираясь на результаты показанные на изображениях.
Вывод: Самое большое значение напряжения наблюдается, когда СБ расположена под прямым углом к солнечным лучам.
|
№ Эксперимента |
Угол падения, ° |
Напряжение, В |
|
1 |
90 |
1.302 |
|
2 |
45 |
1.220 |
|
3 |
10 |
1.087 |
Эксперимент№2
Название: Измерение изменения напряжения на солнечной панели от опорной поверхности.
Цель работы: Выявление напряжения самодельных СБ в зависимости от поверхности.
Оборудование: самодельные солнечные батареи , состоящие из 3 стабилитронов и медной проволоки; мультиметр; CD-диски.
Ход работы: 1. Собрать солнечные батареи на неотражающей поверхности ( резиновый коврик ) и СD-дисках.
Подключить к каждой мультиметр и посмотреть значения напряжения.
Написать вывод, опираясь на результаты, показанные на изображениях.
Вывод: Значение напряжения больше на СБ, сделанной на СD-дисках. Это можно объяснить тем, что от поверхности диска солнечные лучи отражаются и лучше освещают стабилитроны.
|
№ Эксперимента |
Поверхность |
Напряжение, В |
|
1 |
СD-диск |
1.318 |
|
2 |
Резиновый коврик |
1.085 |
Эксперимент№3
Название: Сравнение изменения напряжения на солнечной батарее от вида соединения.
Цель работы: Выявление напряжения самодельных СБ в зависимости вида соединения.
Оборудование: самодельные солнечные батареи , состоящие из 3 стабилитронов и медной проволоки; мультиметр; CD-диски.
Гипотеза: Значение напряжения будет больше при последовательном соединении т.к. при последовательном соединении общее напряжение равно сумме напряжений каждого стабилитрона. При параллельном соединении общее напряжение будет равно напряжению одного.
Ход работы: 1. Собрать модель солнечной батареи из 9 последовательно соединённых стабилитронов и проволоки.
2. Замерить значение напряжения.
3. Собрать модель солнечной батареи, состоящую из 3 панелей (по 3 последовательно соединенных стабилитрона) соединенных параллельно.
4. Замерить значение напряжения.
5.Сравнить результаты с гипотезой.
6. Написать вывод.
Вывод: Исходя из результатов опыта, гипотеза оказалась верна. При последовательном соединении напряжение на установке из солнечных батарей больше, чем при параллельном.
|
№ Эксперимента |
Вид соединения |
Напряжение, В |
|
1 |
Последовательное |
3.460 |
|
2 |
Параллельное |
1.171 |
Заключение
Изучено устройство и принцип работы солнечных батарей, а также их использование, преимущества и недостатки.
Собрана модель солнечной батареи и проведён ряд экспериментов на вычисление напряжения.
Изучены факторы, влияющие на коэффициент полезного действия солнечной батарее.
Список используемых источников
https://mysmartbuy.ru/solnechnyie-batarei-aktualnost-..
https://solar-energ.ru/kak-rabotayut-solnechnye-batar..
http://www.ognetika.com/aktualnost-solnechnyx-batarej/
https://ru.wikipedia.org/wiki/Солнечная_батарея
https://akbinfo.ru/alternativa/solnechnaja-jenergija...
https://akkummaster.com/prochee/alternativnaya-energi..
12