Тезисы к проекту «СОЛНЕЧНЫЕ ВАТТЫ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ»

Тезисы к проекту «СОЛНЕЧНЫЕ ВАТТЫ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ»
Сафронов М., Розанов Н.
Руководитель Батуркина М.К.
Саратов, МОУ «Гимназия № 5»
В настоящее время во всем мире, в том числе и в нашей стране, остро
встает вопрос о разработке и внедрении новых источников энергии. Всем
известно, что наиболее значимыми из них на сегодняшний день являются
нефть, природный газ, уголь и др. Запасы нефти и газа не безграничны, в силу
всего этого необходимо искать альтернативные источники энергии. Одним из
них является использование так называемых солнечных батарей.
Солнечные батареи надежны, долговечны (срок службы до 50 лет)
и просты в установке, так как не содержат движущихся частей. Солнечные
батареи можно использовать, где плохо работает обычное энергоснабжение
и большое количество солнечных дней.
Совершенствование технологий производства кристаллического кремния
привело к созданию солнечных батарей на фотоэлементах нового поколения.
1. ВИДЫ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ
1.1Солнечные батареи из монокристаллического кремния
1.2Солнечные батареи из мультикристаллического кремния
1.3 Солнечные батареи из поликристаллического кремния
1.4 Тонкоплёночные батареи
1.5 Солнечные батареи из аморфного кремния
1.6 Солнечные батареи на основе теллурида кадмия
1.7 Солнечные батареи на основе CIGS -это полупроводник, состоящий
из меди, индия, галлия и селена.
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ СОЛНЕЧНОЙ КРЕМНИЕВОЙ
БАТАРЕИ БСК-1
(используется в школьном физическом кабинете)
Солнечная батарея состоит из фотоэлементов, соединенных
последовательно и параллельно.Основным материалом для производства
полупроводниковых фотоэлементов является кристаллический кремний.
Морские и речные пляжи переполнены песком — ярким представителем
кремния, но содержат всевозможные примеси. Технология очистки природного
кремния — очень дорогостоящее мероприятие, что сказывается на стоимости
фотоэлементов.
Все фотоэлементы располагаются на каркасе из непроводящих
материалов. Такая конфигурация позволяет собирать солнечные батареи
требуемых характеристик (тока и напряжения). Кроме того, это позволяет
заменять вышедшие из строя фотоэлементы простой заменой.
В плоском кристалле кремния или другого полупроводника с дырочной
проводимостью создается тонкий слой полупроводника с электронной
проводимостью. На границе раздела этих слоев возникает р– n- переход. Под
действием света в полупроводниковом кристалле происходит изменение
распределения электронов и дырок по энергиям.
В результате внутреннего фотоэффекта количество свободных
электронов и дырок в полупроводнике увеличивается. Когда электрон и дырка
в дырочном полупроводнике приближаются к р-n-переходу, то действием
контактного электрического поля р-n-перехода электрон перебрасывается в
электронный полупроводник, а дырка отбрасывается в слой дырочного
полупроводника (рис.1).
Рис.1Рис.2
Сила тока в цепи пропорциональна плотности потока светового
излучения, падающего на фотоэлемент. Электрическая мощность одного
фотоэлемента очень маленькая, поэтому их соединяют в блоки.
3.ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.Экспериментальная работа № 1: Измерение КПД солнечной батареи БСК-1.
КПД солнечной батареи определяется отношением мощности Рτ
тока, выделяемой во внешней электрической цепи, к мощности
Рс
Р𝝉
излучения, вызвавшего появление фототока: η = .
Рс
Мощность
Рτ
определяется последовательным подключением к
клеммам фотоэлемента магазина сопротивлений с миллиамперметром и
параллельным подключением к ним вольтметра, показывающего напряжение
на внешнем участке цепи. Тогда Рτ = IU.
Мощность солнечного излучения можно, зная солнечную постоянную
(плотность потока солнечного излучения у поверхности Земли на уровне моря),
которая равна 1373Вт/м2.
Собрав установку (Фото1,2) по схеме (рис 1), и произведя необходимые
измерения и вычисления, определяем КПД солнечной батареи БСК -1
Фото 1
R
,
О
м
1
0
I U P h
, , 𝛕 ,
А В , °
В
т
0 4 0 3
, , , 0
𝛗, S, P
Вт м с,
/м2 2 В
т
77
0
η
,
%
0, 1 3
0 2, ,
Фото 2
1
1
3 4
7
1
6
3
2
8
3.2 Экспериментальная работа № 2:Исследование зависимости КПД
солнечной батареи БСК-1 от электрического сопротивления нагрузки.
Работа проводится с использованием с использованием той же установки,
меняется лишь величина электрического сопротивления нагрузки.
R,Ом
10
8
6
4
I,А
0,11
0,11
0,12
0,11
U,В
4,3
4,0
3,9
3,6
P 𝛕, Вт
0,47
0,44
0,47
0,40
h,°
30
30
30
30
S, м2
0,016
0,016
0,016
0,016
𝛗,Вт/м2
770
770
770
770
Pс, Вт
12,32
12,32
12,32
12,32
η, %
3,8
3,6
3,8
3,2
Вывод: из табличных данных видно, что с уменьшением нагрузки кпд
солнечной батареи уменьшается.
3.3
Экспериментальная
работа
№
3:Исследование
зависимости
КПДсолнечной батареи БСК-1 от погодных условий.
Дата,2016 г.
21.01, день ясный
(солнечное сияние)
R,Ом
10
I,А U,В
0,22 2,4
P 𝛕, Вт
0,53
h,°
30
𝛗,Вт/м2 S, м2
770
0,016
Pс, Вт η, %
12,32 4,3
20.01, день облачный
(нижняя облачность)
10
0,15 2,1
0,32
30
770
0,016
12,32
2,6
19.01, пасмурный
(общая облачность)
10
0,07 1,9
0,13
30
770
0,016
12,32
1,1
Вывод: Погодные условия влияют на КПД солнечной батареи: в пасмурный
день он – минимален, в солнечный день – максимален.
4.ПРИМЕНЕНИЕ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ
Солнечные
батареи
применяются
дляосвещения
и снабжения
электричеством космических аппаратов, жилых домов, дач, школ, больниц,
хозяйств, тепличных комплексов, парков, садов, дворов, шоссе улиц; нефтеи газопроводов для снабжения энергией, подачи и опреснения воды,
автомобилей, автобусов, яхт и многое другое.
Как бы мала не была доля солнечной энергетики в электроэнергетическом
комплексе России, все же кое-что есть.
Уже существуют заводы по производствусолнечных батарей в Москве,
Краснодаре, Зеленограде, Новочебоксарске и Брянске.В России первая
солнечная электростанция с мощностью 100 кВт заработала 29 сентября 2010 в
Белгороде.
Существенным недостатком солнечных батарей является наличие
ядовитых веществ в составе самих фотоэлементов (свинца, кадмия, галлия,
мышьяка и т. д.) и применение токсичных веществ при их производстве,
несмотря на экологическую чистоту получаемой при этом электроэнергии.
Через 30-50 лет использования батарей неизбежно возникнет проблема их
утилизации, которая пока еще не разрешена с точки зрения экологии.