НИР "Солнечные батареи"

Частное общеобразовательное учреждение

ЧОУ «ГАРМОНИЯ»

Научно-исследовательская работа

«СОЛНЕЧНЫЕ БАТАРЕИ»

Дисциплина «ФИЗИКА»

Автор: Рутенберг Анна,

ученица  8 класса

ЧОУ «ГАРМОНИЯ»

Научный руководитель:

Муравьёва Анастасия Александровна,

учитель  физики ЧОУ «ГАРМОНИЯ»

г. Иваново

2016  год

СОДЕРЖАНИЕ 
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………..3
ГЛАВА 1СОЛНЕЧНАЯ БАТАРЕЯ КАК ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ СОЛНЦА
§1 Принцип действия солнечных панелей……………………………………....5
§2 Использование солнечных батарей…………………………………………11
ГЛАВА 2 ЭКСПЕРИМЕНТ С СОЛНЕЧНЫМИ БАТАРЕЯМИ
§1 Описание эксперимента………………………………………………….…..16
§2 Анализ полученных данных…………………………………………..….….17
ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………...……..25
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ И ИНТЕРНЕТ-РЕСУРСОВ…………………………………………………………………….....26

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Без энергии жизнь человечества немыслима. Все мы привыкли использовать в качестве источников энергии органическое топливо – уголь, газ, нефть. Однако их запасы в природе, как известно, ограничены. И рано или поздно наступит день, когда они иссякнут. На вопрос «что делать в преддверии энергетического кризиса?» уже давно найден ответ: надо искать другие источники энергии – альтернативные, нетрадиционные, возобновляемые. Всевозможные гелиоустановки используют солнечное излучение как альтернативный источник энергии. Излучение Солнца можно использовать как для нужд теплоснабжения, так и для получения электричества (используя фотоэлектрические элементы в составе солнечных батарей). Поэтому актуальна тема нашей работы: «Солнечные батареи».

Проходя сквозь атмосферу Земли, солнечное излучение теряет в энергии примерно 370 Вт/м2, и до земной поверхности доходит только 1000 Вт/м2 (при ясной погоде и когда Солнце находится в зените). Эта энергия может использоваться в различных естественных и искусственных процессах. Так, растения с помощью фотосинтеза перерабатывают её в химическую форму (кислород и органические соединения). Прямое нагревание солнечными лучами или преобразование энергии с помощью фотоэлементов может быть использовано для производства электроэнергии (солнечными электростанциями) или выполнения другой полезной работы. Путём фотосинтеза была в далёком прошлом получена и энергия, запасённая в нефти и других видах ископаемого топлива.

Цель работы: изучить солнечные батареи как средство преобразования солнечной энергии в электрическую.

Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи:
1. Познакомиться с принципом действия солнечных батарей.
2.Изучить область применения солнечных батарей.
3. Провести эксперименты с солнечными батареями, проанализировать полученные данные.

ГЛАВА 1СОЛНЕЧНАЯ БАТАРЕЯ КАК ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ СОЛНЦА
§1 Принцип действия солнечных панелей

Растения улавливают энергию солнечного света и используют её для превращения воды и углекислого газа в простой сахар (глюкозу). Это топливо для растений, полученное с помощью солнца. Преобразовывать солнечный свет в энергию могут не только растения, лучи солнца можно превращать в электричество с помощью солнечных батарей. Из чего собственно сделана эта батарея? И как она превращает солнечный свет в самое настоящее электричество? Основа солнечной батареи кристалл чистого кремния, в природе кремний встречается только в виде песка, поэтому цилиндры из кремния выращивают искусственно, затем придают форму куба и режут на пластины толщиной всего в 180 микрон ─ это примерно 3 человеческих волоса. На кремниевую пластину наносят небольшое количество бора и фосфора.

Добавленные атомы фосфора называют донорной примесью. В слое кремния с добавками фосфора возникают свободные электроны (полупроводникn-типа).

Донорные примеси  ─ атомы химических элементов, внедренные в кристаллическую решетку полупроводника и создающие дополнительную концентрацию электронов. Донорными примесями являются химические элементы, внедренные в полупроводник с меньшей, чем у примеси, валентностью.

Добавленные атомы бора называют акцепторной примесью. В слое кремния с добавками бора возникают отсутствующие электроны, так называемые "дырки" (полупроводник p-типа).

Акцепторные примеси ─ атомы химических элементов, внедренные в кристаллическую решетку полупроводника и создающие дополнительную концентрацию дырок. Акцепторными примесями являются химические элементы, внедренные в полупроводник с большей, чем у примеси, валентностью.

Солнечная батарея является полупроводниковым источником тока, непосредственно преобразующим энергию солнечного излучения в электрическую. Действие солнечных элементов основано на использовании явления внутреннего фотоэффекта в области p-n перехода двух полупроводников.(Внутренний фотоэффект ─ увеличение под действием света электропроводности полупроводников. Полупроводники ─ вещества, в которых концентрация подвижных носителей заряда значительно ниже, чем концентрация атомов, и может изменяться под влиянием температуры, освещения или относительно малого кол-ва примесей, Это значит, что в полупроводниках ток возникает, в отличие от проводников, только под влияние определённых факторов). Под действием света по обе стороны от p-nперехода растёт концентрация электронов и дырок. При этом электрическое поле в областиp-nперехода перемещает электроны из полупроводникаp-типа в полупроводникn-типа, а дырки – в противоположном направлении. В результате, увеличивается разность потенциалов между этими полупроводниками, и в цепи появляется ток 

Фотон и его свойства

Фотон ─ материальная, электрически нейтральная частица, квант электромагнитного поля (переносчик электромагнитного взаимодействия).

Основные свойства фотона

• Является частицей электромагнитного поля.
• Движется со скоростью света.
• Существует только в движении.

Остановить фотон нельзя: он либо движется со скоростью, равной скорости света, либо не существует; следовательно, масса покоя фотона равна нулю.

При направленном солнечном свете электричество собирается в каждой точке кремниевой пластинки. Чтобы вывести ток с пластины, нужны дорожки "каналы", по ним и бежит электричество, одной маленькой пластины хватит на работу небольшого карманного фонарика. Когда пластины соединяются, мощность батареи увеличивается, чем больше батарея, тем она мощнее[2].

Для увеличения выходных параметров (тока, напряжения и мощности) солнечные элементы (пластины), из которых состоит солнечная батарея, соединяются последовательно и параллельно. При последовательном соединении элементов увеличивается выходное напряжение, при параллельном – выходной ток. Для того, чтобы увеличить и ток и напряжение комбинируют два этих способа соединения. Кроме того, при таком способе соединения выход из строя одного из солнечных элементов не приводит выходу из строя всей цепочки, т.е. повышает надежность работы всей батареи.

Таким образом, солнечная батарея состоит из параллельно-последовательно соединенных солнечных элементов. Величина максимально возможного тока отдаваемого батареей прямо пропорциональна числу параллельно включенных, а э.д.с. - последовательно включенных солнечных элементов. Так комбинируя типы соединения собирают батарею с требуемыми параметрами. Оказывается, что фотоэлементы могут работать от любого источника света, не только от солнечного. Батареи укладывают на стол, подключают клеммы и подают свет. Если напряжение есть, значит цепочка из пластин собрана правильно. Осталось поместить солнечные элементы в герметичную пленку и положить под стекло, пропускающее ультрафиолет. Солнечные батареи можно установить где угодно. Солнечный свет есть всегда, даже если на улице пасмурно, батареи все равно получают энергию, пусть и не в полную силу.

Получаемая электрическая энергия накапливается в аккумуляторах, а затем отдается в нагрузку. Аккумуляторы – химические источники тока. Заряд аккумулятора происходит тогда, когда к нему приложен потенциал, который больше напряжения аккумулятора.

Число последовательно и параллельно соединенных солнечных элементов должно быть таким, чтобы рабочее напряжение подводимое к аккумуляторам с учетом падения напряжения в зарядной цепи немного превышало напряжение аккумуляторов, а нагрузочный ток батареи обеспечивал требуемую величину зарядного тока.

Например, для зарядки свинцовой аккумуляторной батареи 12 В необходимо иметь солнечную батарею состоящую из 36 элементов.

При слабом солнечном свете заряд аккумуляторной батареи уменьшается и батарея отдает электрическую энергию электроприемнику, т.е. аккумуляторные батареи постоянно работают в режиме разрядки и подзарядки.

Виды солнечных элементов

Существует несколько разновидностей солнечных элементов, которые отличаются структурой рабочей поверхности фотоэлемента и технологией изготовления.

1. Фотоэлементы с использованием аморфного кремния. По-другому их еще называют пленочными покрытиями. С развитием нано технологий это направление, возможно, станет более перспективным, но пока такие панели не имеют большого промышленного производства. Сложность заключается в создании у кристаллов кремния одинаковой направленности по всей толщине рабочего слоя, который составляет 80−100 микрон.
2. Фотоэлементы с использованием монокристаллического кремния. Самые дорогостоящие и производительные батареи, способны удовлетворительно работать при сильной облачности. Их изготавливают, используя медленное остывание кремниевого расплава. При этом получается слиток, который с одной стороны является монокристаллом, а с другой стороны — однороден. После остывания слиток разрезается на пластины и для создания нужной структуры поверхности его подвергают нескольким видам термообработки. Цвет таких пластин обычно темно-синий.
3. Фотоэлементы с использованием поли- или мультикристаллического кремния. При производстве используется технология получения центров кристаллизации, и, как следствие, небольших кристаллов в слитке. Термообработку эти пластины проходят ту же, что и монокристаллические, но их электротехнические показатели первых значительно уступают вторым. Зато и цена на них существенно ниже. Внешне их можно отличить по наличию участков, различающихся по оттенкам и очертаниям.

Распространены два вида фотоэлектрических преобразователей (солнечных элементов): сделанные из монокристаллического и поликристаллического кремния. Первые имеют кпд до 17,5%, а вторые – 15% (по некоторым источникам: кпд до 24% из монокристаллического кремния, кпд до 20% из поликристаллического кремния).

Преимущества и недостатки солнечных батарей

Преимущества:

• Общедоступность и неисчерпаемость источника энергии
• Экологическая безопасность
• Длительный срок службы
• Независимость  от цен на топливо
• Бесшумность
• Генерируемая энергия фактически является бесплатной (после того, как солнечная энергосистема окупится)
• Модульность

Недостатки:

• Высокая стоимость (= длительный срок окупаемости)
• Недостаточный КПД
• Зависимость от погодных условий
• Неприменимость для приборов, потребляющих большую мощность
• Использование дополнительного оборудования (аккумуляторов, инверторов и т. д.)
• Наличие ядовитых веществ в составе фотоэлементов (свинца, кадмия, галлия, мышьяка и т. д.) + применение токсичных веществ при их производстве → проблема утилизации

§2 Использование солнечных батарей

Областей применения солнечных батарей становится все больше с каждым днем. Эти устройства с успехом проявляют себя в сфере промышленности, сельского хозяйства, военно-космических отраслях и даже в быту.

К сожалению, линии электропередач, опутавшие большую часть нашей планеты, всё ещё не могут добраться в самые труднодоступные уголки, которые подключать к ресурсам электростанций оказывается дороже, чем установить солнечную батарею, преобразующую в электроэнергию обычный дневной свет.

Солнечные батареи обеспечивают электроэнергией прибайкальскую метеостанцию

Устанавливать электростанцию на жидком или твердом топливе оказывается дороже и ущербнее для окружающей экологии, чем использовать солнечные батареи. Чаще всего ими укрывают крыши домов, так что в солнечный день они вырабатывают электричество, которого достаточно и для освещения и работы бытовых устройств. А специальный проект в Испании оказался ещё успешнее. Из экономических соображений ряд современных домов был оборудован солнечными батареями, энергия которых используется для нагрева воды [5].

Дом с солнечными батареями на крыше не подвержен перепадам в электросети

Аргументов в пользу солнечных электростанций не счесть, но основным из них является экологичность. Примером, где отсутствие вредных выбросов солнечными батареями в окружающую среду сделало их альтернативой традиционными источникам электроэнергии, стала солнечная электростанция, расположенная недалеко от испанского местечка Севильи. Солнечные батареи водрузили на башню, на которую направили зеркала, отражающие и фокусирующие свет. Довольными остались около 10 тысяч близлежащих домохозяйств, которые снабжаются электроэнергией, преобразованной из света от солнца.

Самая крупная солнечная электростанция в Испании имеет мощность в 20 мегаватт

Солнечные батареи оказались практически единственным источником электроэнергии за пределами Земли. Ими оснащаются все космические аппараты. Когда Солнце освещает их, они вырабатывают электроэнергию, которая аккумулируется бортовыми батареями и используется для питания оборудования в тех местах, где свет недосягаем. В отличие от атомных электрогенераторов они не выделяют вредных веществ [5].

Солнечные батареи обеспечивают электроэнергией МКС

Солнечные батареи нашли применение и в наземном транспорте. Не так давно компания Toyota стартовала продажи своей модели Prius, оборудованной гибридным двигателем. На крыше автомобиля нового поколения располагаются солнечные батареи, от которых тот при внезапно закончившемся топливе сможет проехать ещё километров 5.

Автомобиль на солнечных батареях экологически безопасен и беспрецедентно экономичен

Солнечные батареи для бытовых нужд

Встретить солнечные батареи в рознице по разумной цене становится всё проще. На глаза они попадаются, как в виде отдельных, работающих в качестве резервного источника питания устройств, так и встраиваются в различные приборы. Например, многие помнят, как в нашу жизнь вторглись калькуляторы, практически сразу получившие небольшие панели, позволяющие им работать без батареек, лишь попав на свет.

Калькулятор на солнечных батареях может работать всегда и везде, где есть свет

Разработчики устройств, которые могут работать от альтернативных источников электроэнергии пошли ещё дальше. На свет появились аккумуляторные фонарики, которые днем можно зарядить, просто положив встроенной солнечной батареей на свет, а в темное время суток пользоваться как обычно. Получается, по сути, универсальный спутник для путешествий, способный придти на помощь там, куда не добрался электрический ток. Не менее интересным оказался проект корейской компании Samsung, представившей на свет свой недорогой мобильник E1107 Crest Solar, задняя стенка которого получила небольшую солнечную панель, которой достаточно, чтобы пополнять заряд аккумулятора без подключения к сети. При положительном балансе на счету и в зоне действия операторов без связи с этим телефоном остаться просто невозможно [5].

Мобильный телефон Samsung E1107 Crest Solar оснащен солнечными батареями

Впрочем, если мобильный телефон, смартфон, ноутбук или другое устройство не получило от производителя альтернативного зарядного устройства на солнечных батареях, всегда можно восполнить этот недостаток. Как раз для таких случаев продаются внешние солнечные панели, многие из которых могут накапливать электроэнергию во встроенных или входящих в комплект поставки аккумуляторах, а затем отдавать её подключаемым устройствам. Такими переносными солнечными электростанциями очень часто оснащаются походные сумки и рюкзаки, а стоят они не намного дороже обычных моделей, без которых не обходится ни один туристический поход [5].

Внешняя солнечная батарея для питания мобильных телефонов и других компактных устройств

ГЛАВА 2 ЭКСПЕРИМЕНТ С СОЛНЕЧНЫМИ БАТАРЕЯМИ
§1 Описание эксперимента

Целью экспериментальной части работы являлось измерить напряжение на зажимах солнечной батареи от дачного светильника при различных условиях:

• Меняя угол наклона батареи относительно Солнца
• Меняя площадь поверхности батареи
• Меняя высоту источника над батареей (использовался фонарик).

При работе использовался светильник для дачи фирмы «ИЗУМРУД»

Также в эксперименте были задействованы калькуляторы фирмы Canon и PROFF, имеющие солнечные батареи, для изучения его работоспособности при зарядке/разрядке батареи. 

§2 Анализ полученных данных

В первом опыте измерялось напряжение на зажимах солнечной батареи в зависимости от её положения относительно Солнца. На фотографиях продемонстрировано, как подключался вольтметр (мультиметр) к батарее и какое оборудование использовалось в опыте.

Положения батареи показаны на рисунке:

Показания вольтметра представлены в таблице:

Данные таблицы можно наглядно представить в виде графика зависимости напряжения от угла.

В Интернет-источниках мы узнали положение Солнца над горизонтом в день измерений в г.Иваново ─ 30 марта 2015г : 36. Заметим, что показания вольтметра были максимальны именно в тот момент, когда батарея находилась перпендикулярно лучам Солнца: 90º+36º=126º (максимальный изгиб кривой на графике при 120º). Можно сделать вывод, что ток, который может вырабатываться в солнечной батарее, будет максимален при положении 90º к Солнцу. Отсюда можно записать формулу для наиболее эффективного использования солнечной батареи. Зная положение Солнца над горизонтом в конкретное время (), нужно элемент из солнечных батарей расположить под углом  к горизонту:

Во втором опыте мы меняли площадь поверхности солнечной батареи, не меняя при этом угол наклона. Батарея состоит из четырёх полос солнечных элементов. Закрывая постепенно 1, 2, 3 полосы, мы записали показания вольтметра и представили их в таблице:

По данным таблицы был построен график зависимости напряжения на вольтметра от числа открытых полос солнечной батареи.

Из полученного графика можно сделать вывод, что увеличение поверхности солнечных батарей ведёт к увеличению напряжения, а значит и мощности, вырабатываемой солнечными батареями. График получился не в виде прямой зависимости, это может быть по причине попадания света через стекло под разными углами на закрытую часть солнечной батареи.

Также мы закрывали часть солнечной батареи перпендикулярно полосам. Таблица результатов и график зависимости напряжения от процента открытой поверхности представлены ниже.

В третьем опыте мы снимали показания вольтметра в зависимости от удалённости искусственного источника света (фонарик на телефоне iPhone). Полученные данные были занесены в таблицу (Фоновое значение напряжения 0,141 В).

По данным таблицы был построен график зависимости напряжения на зажимах солнечной батареи от высоты фонарика (синий график), а также отмечено фоновое значение вольтметра (показания только от естественного дневного света)  ─ красный график.

Заметим, что полученный график  повторяет ветвь гиперболы. Это значит, что существует зависимость между напряжением и расстоянием от источника: .  Наш эксперимент подтвердил формулу для освещённости:  ,  где E – освещённость, I - сила света (источника), R – расстояние от источника. Ведь чем больше освещённость, тем больше ток, и тем больше напряжение.

Во второй части эксперимента мы изучали калькуляторы со встроенными солнечными батареями. Цель стало определение способов питания калькуляторов.

Первый калькулятор фирмы Canon перестал показывать информацию после закрытия солнечной батареи. Цифры в течении 1-2секунд погасли. Это говорит о том, что в калькуляторе присутствует только солнечная батарея, гальванический элемент отсутствует (эксперимент представлен в фотографиях)

Второй калькулятор фирмы PROFF не прекратил показывать информацию после того, как закрыли солнечную батарею. Это говорит о наличии основного источника энергии – гальванического элемента (батарейки), а солнечный элемент служит «запасным вариантом». Разобрав этот калькулятор и вытащив батарейку, мы убедились в работоспособности солнечного элемента.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В наше время тема развития альтернативных способов получения энергии как нельзя более актуальна. И одним из наиболее перспективных направлений является получение солнечной энергии. Люди получают от солнца количество энергии, превышающее необходимые ресурсы в десять раз. Нужно только взять это энергетическое богатство. Вот этот вопрос и является крайне актуальным для науки. Результатом многолетней работы ученых стало такое устройство как солнечная батарея.

Цель работы (изучить солнечные батареи как средство преобразования солнечной энергии в электрическую) была достигнута благодаря решению поставленных задач:

• Изучен состав и принцип действия солнечных батарей.
• Рассмотрена область применения солнечных батарей.
• Проведены эксперименты с солнечными батареями, полученные результаты проанализированы и представлены в виде графиков.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ И ИНТЕРНЕТ-РЕСУРСОВ

1. Альтернативные источники энергии [эл. ресурс]. URL: http://electrik.info/main/news/614-alternativnye-istochniki-energii.html
2. Как устроены и как работают солнечные батареи [эл. ресурс]. URL: http://www.youtube.com/watch?v=OWB0CKAQGAg
3. Онлайн – калькулятор [эл. ресурс].  URL: http://planetcalc.ru/320/
4. Преимущества и недостатки солнечных батарей [эл. ресурс].  URL: http://www.solarbat.info/solnechnie-batarei-i-moduli/preimushestva-i-nedostatki-solnechnix-batarei
5. Применение солнечных батарей [эл. ресурс]. URL: http://www.sun-battery.biz/stat/primenenie_solnechnyh_batarej.php
6. Солнечные батареи. Альтернативные источники энергии [эл. ресурс]. URL: http://sunbattery.net/index.php?page=main
7. Типы солнечных панелей [эл. ресурс]. URL: http://teplo.guru/eko/solnechnye-batarei-dlya-doma.html#tipy
8. Физическая энциклопедия [эл. ресурс]. URL: http://phys-encyclopedia.net/
9. Электронная библиотека «Наука и техника» [эл. ресурс]. URL: http://n-t.ru/tp/ie/ts.htm