Солнечная батарея(работа)x

Государственное учреждение образования
“Средняя школа №3 г.Ошмяны”
Солнечная батарея
– альтернативный
источник
электроэнергии
Исследовательский проект
Выполнил : Краткевич Евгений
Ученик 9В класса
Руководитель проекта :
Чубрик Анна Ивановна
учитель физики
Ошмяны 2014
Оглавление
Введение
Часть 1 Устройство и принцип действия
солнечных батарей
Часть 2 Последовательность действий при
создании мини солнечной батареи
Часть 3 Заключение
Введение
Экологическая проблема волнует сегодня людей всего мира.
Наша страна не является исключением, тем более теперь, когда над
территорией Беларуси образовались две озоновые дыры. Волнует эта
проблема и нас, учащихся средней школы №3 г. Ошмяны.
Её решение мы видим в постройке ветрогенераторов и
солнечных батарей. Сконструировав чуть раньше ветрогенератор и
теперь
солнечную
батарею,
мы
понимаем,
что
преимущество
солнечных батарей на лицо, хотя для её создания пришлось
потратить немало денежных средств.
В своём мнении мы не едины. В условиях снижения запасов
энергоресурсов и ухудшения экологической обстановки в мире,
политика промышленно развитых стран в области энергетики сильно
изменилась. На смену традиционным источникам энергии приходят
альтернативные возобновляемые, к которым относится солнечная.
Основные преимущества солнечной энергетики:

неисчерпаемость,

доступность в каждой точке планеты,

экологическая чистота.
Солнечная
энергия
может
стать
главным
источником
электроэнергии из-за многочисленных экологических и экономических
преимуществ и доказанной надежности.
Цели создать мини-солнечную батарею
задачи экспериментального исследования:
- изучить принцип действия солнечной батареи
- ознакомиться с устройством солнечной батареи
- изучить возможность создания и применения солнечных
батарей в Беларуси
Устройство и принцип действия солнечной батареи
Солнце – неисчерпаемый источник энергии. Именно оно летом
"обогревает" нашу половину земного шара, принося гигантское
количество энергии. Считается, что в солнечный день на один
квадратный метр поверхности попадает более 1000 ватт солнечной
энергии. Если всю ее суметь преобразовать, то за пару минут можно
вскипятить литр воды (сравните, мощность одного чайника обычно
составляет 2000 ватт).
Термин «солнечная батарея» можно понимать по-разному.
Обычно так называют панели фотоэлектрических преобразователей,
которые
способны
преобразовывать
солнечное
излучение
в
электроэнергию.
Фото 1 – Солнечная батарея
Различные солнечные элементы (фотоэлементы) представляют
собой
электрические
устройства
(фото
1),
которые
способны
преобразовывать часть солнечного излучения (электромагнитного) в
электрический ток. Несколько объединённых вместе фотоэлементов
(фотоэлектрических
преобразователей)
будут
составлять
уже
солнечную батарею, что может выдавать определённое напряжение и
ток.
Работа солнечных элементов основана на явлении внутреннего
фотоэффекта, что впервые был исследован в 1839 г. учёным по
имени Эдмон Беккерель. Данное открытие продолжило своё развитие
в 1873г., во время, когда Уиллоуби Смит обнаружил подобный эффект
при облучении светом селеновой пластины. И лишь в 20-ом веке
(начало 50-х г.) солнечные элементы достигли довольно высокого
уровня своего совершенства благодаря открытию новых материалов.
Устройство солнечной батареи (простейшего фотоэлемента) и
основные принципы действия таковы: у нас имеется обычный
полупроводник, а именно — две пластины присоединенные друг к
другу. Полупроводник (в данном случае речь идет о чистом веществе
без добавления специальных примесей) имеет кристаллическую
решетку
с
регулярной
структурой,
подобной
строению
кристаллической решетки алмаза. В качестве примера лучше всего
взять кремний, на основе которого в большинстве случаев и сделаны
полупроводниковые элементы.
Валентность этого химического элемента равна четырем и
обусловлена
соседних
парным
электрона
соединением
кремния
валентных
имеют
электронов.
пересекающиеся
Два
орбиты,
образующие общие зоны, в которых одновременно находятся два
электрона, принадлежащие различным атомам.
У атома кремния четыре электрона, а, значит, один атом может
иметь четыре такие общие орбиты с четырьмя другими атомами
кремния.
В
итоге
получается
парно-электронная
связь
между
атомами, называемая также ковалентной.
Рисунок 1 – Схема валентных связей кремния
На рисунке 1 представлена схема, характеризующая наличие
валентных связей между электронами кремния. Каждая черточка
может быть приравнена к наличию одного электрона. Оба электроны
будут находиться на одной орбите только в состоянии покоя, достичь
который можно при температуре равной абсолютному нулю.
При любых других условиях происходит нарушение связей, что
ведет к выходу электронов за пределы запрещенной зоны и их
участию в процессе передачи энергии, а это, в свою очередь,
приводит к появлению тока в полупроводнике. С повышением
температуры количество электронов, покидающих запрещенную зону,
возрастает.
Освободившееся
место
на
энергетическом
уровне
принято называть "дыркой". Нетрудно догадаться, что "дырки" имеют
положительный
образования
заряд,
а
свободных
процесс
их
образования,
электронов
называется
а
также
генерацией.
Свободные электроны обозначаются буквой n, а дырки p, а процесс
образования электрической энергии n-p переходом. Процесс идет
намного интенсивнее при добавлении к кремнию специальных
примесей, например, бора и фосфора.
Рассмотрим случай, когда в верхнюю пластину добавили
фосфор и она имеет избыток электронов, а в нижнюю добавили бор и
в ней стали преобладать дырки (Рис. 2).
Рисунок 2 – Простейшая схема солнечной батареи
На самой границе соприкосновения данных пластин существует
зона
запирающего
слоя.
Эта
зона
противодействует
своими
электрическими полями переходу избыточных электронов из слоя «n»
в
слой
«p»,
где
данных
электронов
не
хватает
(места
с
отсутствующими электронами называют дырками). Если подключить к
подобному полупроводнику внешний источник питания («+» к «p» и «-»
к
«n»),
то
внешнее
электрическое
поле
заставит
электроны
преодолеть запирающую зону и через проводник потечёт ток.
Нечто подобное происходит и при воздействии солнечного
излучения на наш полупроводник. Когда фотон света влетает в слои
«n» и «p», он передаёт свою энергию электронам (находящихся на
внешней оболочке атомов), тем самым разбивая атом на электроны и
протоны (в которых порождается дырка — место отсутствующего
электрона). Далее, электроны с полученной энергией свободно
преодолевают запирающий слой полупроводника и переходят из слоя
«p» в слой «n», а дырки, наоборот, переходят их «n» в слой «p».
Этому переходу электронов их области «p» в область «n» и
дырок
из
области
«n»
в
область
«p»,
также
способствуют
электрические поля (положительных зарядов, что находится в
запирающей зоне «n» проводника и отрицательных — в зоне «p»),
которое как бы втягивает в себя, одни — электроны, другие — дырки.
В итоге, слой «n» приобретает дополнительный отрицательный заряд,
а «p» – положительный. Результатом этого явления будет появление
в полупроводнике разности потенциалов между двумя пластинами
равной около 0.5 В.
Сила
электрического
тока
в
солнечном
элементе
будет
меняться пропорционально количеству захваченных поверхностью
фотоэлемента фотонов. Этот показатель, в свою очередь, также
будет зависеть от множества дополнительных факторов — это
интенсивность
светового
излучения,
площадь,
что
имеет
фотоэлемент, времени эксплуатации, КПД устройства, что зависит от
температуры
(при
значительно падает).
её
повышении,
проводимость фотоэлемента
Последовательность действий при создании мини солнечной
батареи
После того, как был изучен принцип действия и устройство
солнечной батареи, перед нами стояла задача – создать свою
солнечную
батарею.
Вся
элементов
солнечной
изготовить
невозможно,
сложность
батареи,
так
как
состояла в
которые
к
кристаллы
приобретении
сожалению
кремния
самим
(Фото
2)
выращиваются искусственно и напыляются атомами фосфора и бора.
Фото 2 – Выращенный кристалл кремния
Самый оптимальный размер фотопластинки 10
см
х10
см.
Она
содержит 100 ячеек и может дать напряжение 0,5 В.
Наша фотопластинка имеет размеры 7,8 см х15,6 см.
Мини
фотопластинку,
противоотражательную
пластмассу и
полоски специально обработанной меди нам удалось приобрести на
сайте [aliexpress.com].
Чтобы всё заработало необходимо было собрать конструкцию.
Для этого нам понадобился паяльник, канифоль, спирт, клей,
деревянные полоски.
Чтобы сбегались электроны и появился электрический ток на
фотопластинке необходимо сделать дорожки. Для этого берём 100мл
спирта, половину спичечного коробка канифоля, растворяем его и
паяльником мощностью 25 Вт припаиваем специально обработанные
медные полоски с обоих сторон кремниевой пластины (Рис. 3).
Рисунок 3 – Фотоэлемент с напаянными медными полосками
От верхних полосок выводим (-), от нижних - (+).
Верхнюю пластинку закрываем куском противоотражательной
пластмассы и помещаем данное устройство в деревянный корпус.
В результате у нас получилось следующее устройство (Фото 3):
Фото 3 – Солнечная батарея с подключенным вольтметром
Фото 4 – Показание вольтметра
Данная батарея может служить демонстрационным прибором и
использоваться для зажигания электрической лампочки, рассчитанной
на низкое напряжение (Фото 4).
Наша панель относится к поликристаллическим фотоэлементам.
Если соединить 30 таких панелей последовательно, можно получить
напряжение
15
В.
При
помощи
инверторов,
постоянный
ток
преобразовывается в переменный. Простейший инвертор – это
система диодов и трансформаторов.
Ток, полученный при помощи солнечной батареи и инвертора
можно использовать в бытовых целях.
Заключение
Чтобы покрывать 100% требуемой электроэнергии в Европе,
необходимо всего лишь 0,7% общей площади континента Европы
занять модулями солнечных батарей. Поэтому солнечная энергетика
играет
крайне
важную
роль
в
улучшении
безопасности
энергоснабжения Европы.
Производители солнечных модулей гарантируют, что в течение
25 лет производительность энергии падает не более чем на 20%,
кроме того модуль не имеет движущихся частей, что существенно
упрощает и снижает стоимость обслуживания, поэтому срок службы
будет достигать 100 лет (проблема не в самих преобразователях, а в
герметизирующих
материалах)
при
незначительном
снижении
эксплуатационных характеристик.
Территория нашей страны расположена между 56-м и 51-м
градусами северной широты, что определяет угол падения солнечных
лучей, продолжительность дня и солнечного сияния, с чем связано
количество поступающей солнечной радиации. В течение года угол
падения
солнечных
лучей
в
полдень
изменяется
на
47°,
продолжительность дня — более чем на 10 часов. Годовой приход
суммарной солнечной радиации увеличивается от северных к южным
районам — от 3500 до 4050 МДж/м2 (84—97 ккал/см2). Пасмурных
дней насчитывается от 175 на северо-западе до 135 на юго-востоке,
ясных — от 30—35 за год на северо-западе до 40—42 на юго-востоке.
На
большей
части
территории
максимум
безоблачных
дней
приходится на март — апрель, и только на юго-востоке — на июль —
сентябрь.
Продолжительность
солнечного
сияния
составляет
в
среднем за год 1730—1950 часов, возрастая к юго-востоку. Она
минимальна в осенне-зимний период (когда бывает до 20 дней в
месяц без яркого солнца), а в остальные дни насчитывает в среднем
по 3 часа. В мае — июле солнце не показывается только 1—3 дня в
месяц, при этом в отдельные продолжительность сияния достигает 16
часов. Май, июнь и июль вместе дают примерно 48% годового
прихода суммарной солнечной радиации, а ноябрь, декабрь и январь
— только 5%.
Таким образом, в Беларуси уровень освещенности выше, чем в
Германии.
В
то
межакадемического
же
время,
совета
по
(Амстердам,
данным
Европейского
Голландия),
годовое
производство электроэнергии с обычной ФЭС мощностью 1 кВт на
конец 2005 г. в этой стране составило 900 кВт•ч. Стационарная
солнечная
электростанция
с
рекордным
КПД
20%
и
пиковой
мощностью 1 кВт вырабатывает там за год 2 тыс. кВт•ч. Для
сравнения: в пустыне Сахара этот показатель выше отнюдь не в разы
— до 3,5 тыс. кВт•ч. При установке системы слежения за солнцем
выход электроэнергии при тех же условиях возрастает до 2,8 тыс.
кВт•ч/кВт в Германии и до 5 тыс. кВт•ч/кВт в Сахаре.
Анализ многолетних исследований показывает, что с рядовых
ФЭС мощностью 1 кВт почти на 70% территории нашей страны можно
было бы получать более 900 кВт•ч, на 25% — 975 кВт•ч и на 5% —
1050
кВт•ч.
Это
означает,
что
потенциальная
эффективность
использования ФЭС у нас только за счет благоприятных условий
инсоляции на 10% выше, чем в Польше, Нидерландах, и более чем на
17% — чем в ФРГ, Бельгии, Дании, Ирландии, Великобритании, не
говоря уже о странах, находящихся севернее. Словом, расположение
республики, ее географическая широта, высота над уровнем моря, а
также метеорологические условия не являются сдерживающими
факторами для развития солнечной электроэнергетики.
Таким образом, сегодня нет объективных препятствий для
развития солнечной энергетики в Беларуси. Проекты в данном
направлении обещают скорую окупаемость, являются надежными в
плане получения выручки и не требуют сложного обслуживания.