Творческая работа: «Солнечная батарея в быту»

Разделы: Физика, Внеклассная работа

Введение

Актуальность проблемы: С древних времён энергия солнца использовалась людьми для освещения жилища, сушки продуктов, одежды... Этот список можно продолжать до бесконечности. Сегодня солнечная энергетика является одним из наиболее перспективных источников альтернативной энергии. В настоящее время уже есть достаточно много конструкций, позволяющих преобразовывать энергию солнца вэлектрическую или тепловую.

Цели исследования: расширить область знаний по теме «энергия солнца» и «солнечная батарея», рассмотреть преобразование одного виды энергии в другой на примере работы макета солнечной батареи.

Задачи:

  • Изучить материал о солнечных батареях: их видах и принципах действия.
  • Сконструировать макет солнечной батареи и с его помощью провести опыты, объясняющие принцип преобразования одной энергии в другую.
  • Проанализировать полученную информацию и сделать выводы об устройстве и принципе работы солнечных батарей.

Методы: Изучение литературных и других информационных источников, проведение экспериментов, анализ информации и результатов.

Основная часть

Энергия солнца

Об использовании солнца в хозяйственной деятельности человечество думало с древних времён. Всем известна легенда, согласно которой Архимед сжёг флот неприятеля, тем самым победив врага возле родного города Сиракузы. Он использовал для этого зажигательные зеркала. Несколько тысяч лет назад на Ближнем востоке дворцы правителей отапливали водой, которая нагревалась солнцем. В некоторых странах выпариванием морской воды на солнце получали соль. Учёные часто проводили опыты с нагревательными аппаратами, работающими от солнечной энергии.

Солнечная энергия может быть преобразована в тепловую и электрическую. Самые первые шаги в использовании энергии солнца человек сделал именно в направлении получения тепла. Можно сказать, что в этом случае и преобразования нет. Принцип работы прост. Он заключается в сборе солнечного тепла. Поэтому и устройства для этого называются солнечные коллекторы. Принцип работы таких установок заключается в сборе тепла и передачи его теплоносителю. В качестве последнего выступает вода или воздух. Такие установки часто используются для отопления и горячего водоснабжения частных домов. Второй вариант использования солнечной энергии - это преобразование её в электричество.Для преобразования солнечного света в электричество использую солнечные батареи.

К достоинствам солнечной энергетики относятся:

  • экологическая безопасность установок;
  • неисчерпаемость источника энергии в далекой перспективе(ученые нам прогнозируют,что жизненного цикла солнца хватит еще 5 миллиардов лет);
  • низкая себестоимость получаемой энергии;
  • доступность производства энергии;
  • хорошие перспективы развития отрасли, обусловленные развитием технологий и производством новых материалов с улучшенными характеристиками.

Недостатками являются:

  • прямая зависимость количества вырабатываемой энергии от погодных условий, времени суток и времени года;
  • сезонность работы, которую определяет географическое расположение;
  • низкий КПД;
  • высокая стоимость оборудования.

Что такое солнечная батарея?

Солнечная батарея представляет собой соединение фотоэлементов, то есть приспособлений, которые преобразуют солнечный свет в электроэнергию. Изделие представляет собой панель, с герметично заламинированными на ней кремниевыми пластинами, с помощью которых и происходит преобразование энергии. Вся конструкция покрыта закаленным стеклом или пластиком, которые ее защищают от негативного воздействия внешних факторов. Панель должна быть полностью герметична и выдерживать большие ветровые и снеговые нагрузки.

Название «батарея» подразумевается в смысле некой совокупности однотипных компонентов, собранных в нечто единое целое, но никак не связанна с образом всем нам известных пальчиковых батареек. Фактически это просто панель из нескольких одинаковых фотоэлементов [Приложение 1]. Мощность собранной батареи определяется ее площадью. То есть, чем больше отдельных пластин будет закреплено на панели, тем больше электричества будет выработано.

История создания первых аналогов солнечных батарей началась еще в 19 веке, а технология их производства развивалась удивительно быстро. Причиной служили постоянно проводимые исследования в области преобразования солнечной энергии в электрическую. Еще в 1839 году Антуан-Сезар Беккерель представил созданную им химическую батарею, которая под воздействием солнца вырабатывала электричество. Первая солнечная батарея имела КПД всего 1%. То есть только один процент солнечного света был преобразован в электричество.

В 1873 году Уиллоуби Смит обнаружил чувствительность селена к свету, а в 1877 году Адамс и Дэй отметили, что селен под воздействием света производит электрический ток. Чарльз Фриттс в 1880 году использовал покрытый золотом селен для производства первого солнечного элемента, который также имел эффективность 1%. Тем не менее, Фриттс считал свои солнечные элементы революционными. Он рассматривал возможность использования бесплатной солнечной энергии как средство диверсификации поставок энергии, предсказывая, что производимые солнечные батареи вскоре заменят существующие электростанции.

С объяснением в 1905 году Альбертом Эйнштейном фотоэффекта появились надежды на создание солнечных батарей с более высоким КПД, но прогресс оказался незначительным. В 1954 году Гордон Пирсон, ДэррилЧапин и КэлФуллер произвели кремниевый солнечный элемент, имеющий КПД 4%. В дальнейшем эффективность ячейки была повышена до 15%.

В 1955 году эти фотоэлементы были применены в качестве источника питания на телефонных столбах. Совершенствовалась технология изготовления фотоэлементов, и вот уже в 1958 году на орбиту вокруг Земли выводят спутники, аппаратура которых частично питается от солнечных батарей.

Принцип действия

В школе на уроках физики мы еще не изучали электричество, так что мне пришлось разобраться с этим самостоятельно с помощью Интернета и энциклопедий. Вот что я выяснила.

Свет - это поток частиц под названием фотоны. Фотоны, столкнувшись с каким-либо веществом, могут поглотиться молекулами или атомами этого вещества. Атом состоит из ядра и электронов, которые движутся вокруг ядра. Ядро как бы окутано электронным "облачком". Так вот, когда атом поглощает фотон, это электронное облачко и раздувается. (Электроны начинают двигаться на большем расстоянии от ядра.) Так "толстеет" атом. Чем больше энергия у фотона, который он проглотил, тем больше он "растолстеет". И вполне возможно, что атом настолько увеличится в размере, что может некоторые свои электроны совсем потерять.

Вот на этом свойстве и основано действие солнечной батареи. Нужно подобрать такое вещество, чтобы его атомы, поглощая фотоны солнечного света, сильно "толстели" и теряли бы свои электроны. Тогда электроны становились бы свободными. А свободные электроны - это и есть возможность создать электрический ток.

Таких веществ немало. Одно из самых распространённых - кремний, который входит в состав обыкновенного речного песка. Кремний и можно использовать для создания элементов солнечных батарей. На свету в солнечных элементах накапливаются свободные электроны, которые отскакивают от "растолстевших" атомов. Если эти элементы соединить проводами с тем местом, где электронов мало, то накопившиеся электроны потекут туда, как вода под уклон. Вот и появится электрический ток.

Кремний до сих пор остается основных материалом для производства фотоэлементов. Вообще кремний - второй по распространенности элемент на Земле, запасы его огромны. Однако в промышленном его использовании есть одна большая проблема - его очистка. Процесс этот очень трудоемкий и затратный, поэтому чистый кремний стоит дорого. Сейчас ведется поиск аналогов. Перспективными считаются соединения меди, индия, селена, галлия и кадмия, а также органические фотоэлементы.

Солнечные батареи выглядят как плоские панели. Если внимательно присмотреться - мы найдем огромное количество бытовых предметов и объектов, где солнечные батареи используются полным ходом [Приложение 2].

Хороши они тем, что просты, надёжны и долговечны. Ведь в них нет никаких трущихся и движущихся частей, которые могут испортиться от трения или сломаться. Они могут быть очень маленькими, если нужно мало энергии (например, для калькулятора). А самое главное - они не загрязняют окружающую среду. При работе солнечной электростанции нет совершенно никакой грязи: нет дыма и копоти, как от тепловой электростанции, нет радиоактивных отходов, как от электростанции атомной. Одно только плохо: она не работает в пасмурный день и ей нужны большие свободные поверхности для размещения солнечных элементов. Поэтому с таким удовольствием используют солнечные батареи в космосе: туч и облаков там нет, а свободного места сколько угодно. Солнечные батареи - главные источники энергии для околоземных спутников и космических станций.

Виды панелей для солнечных батарей

Кроме размера и мощности, панели отличаются способом, которым изготавливаются из кремния отдельные элементы. Так как их разновидности очень велики, я рассматривала только виды кремниевых фотоэлементов, то есть те, с которыми я работала в экспериментальной части своего проекта.Кремниевые фотоэлементы бывают:

  • монокристаллические;
  • поликристаллические;
  • аморфные.

Ячейки из поликристаллов кремния имеют квадратную форму и неоднородную поверхность темного (иногда - почти черного) оттенка. Это объясняется тем, что при выращивании поликристаллов получают заготовки в форме призмы с квадратным сечением. Неоднородность поверхности и структуры определяется тем, что состоят такие заготовки из множества разнородных кристалликов. Кроме того, в поликремнии обязательно присутствует некоторая доля примесей. Увы, КПД таких ячеек несколько ниже, чем у монокристаллических [Приложение 3].

Солнечные элементы, изготовленные из монокристаллического кремния, очень легко узнать. Их отличают насыщенный, равномерный синий цвет и однородная поверхность. Такие ячейки производят из монокристаллов высокочистого кремния (порядка 99,99%), поэтому они обладают более высокими эксплуатационными показателями. Кроме того, ячейки из монокремния имеют так называемую необычную форму (как правило - со срезанными углами, иногда - форму многоугольника) [Приложение 3].

Солнечные ячейки из аморфного кремния также называют «гибкими панелями». Это название полностью отражает все их особенности, и прежде всего - гибкую тонкопленочную структуру. По продуктивности они особо не отличаются от других типов. Главным их достоинством является возможность установки на различных поверхностях, даже на самых кривых и непредсказуемых [Приложение 3].

По назначению можно выделить две большие группы устройств:

  • Солнечные батареи малой мощности (до десяти ватт) применяются в мобильных гаджетах или powerbank для зарядки.
  • Системы больше мощности. Они используются для электрификации частных домов и дач. Они обычно располагаются на крышах и фасадах домов, реже на участках рядом с домом.

Есть устройства, которые позволяют отслеживать солнце и менять угол наклона в зависимости от его положения.

Экспериментальная часть проекта

Исследование и выявление проблемы

Создать макет солнечной батареи - это задача, которую необходимо было мне решить. Естественно, проблемы по разработке возникли сразу. Первый вопрос, который я себе задала - как это сделать, из какого материала и с помощью каких инструментов? Как украсить свою поделку декоративно.

Результаты работы:изучив огромное количество информации, я решила обзавестись помощью моего папы, так как одним из этапов в моем проекте была пайка. У нас на приусадебном участке есть фонтан [Приложение 4]. В летнее время мы с сестрой очень любим проводить около него время. Иногда даже ужинаем в крытой беседке, находящейся рядом с фонтаном, наслаждаясь прекрасными звуками воды.

В вечернее время фонтан особенно красив с включенной подсветкой. Одной из целей данного проекта является для меня создание красивого водного светильника, который бы питался днем от солнечной батареи, накапливал за день определенное количество энергии и, когда солнышко бы заходило, питал мой фонарь вечером. Это будет безумно красиво и, самое главное, экономно со стороны потребления электроэнергии для ежедневной подсветки.

Для создания светильника мне пригодилось: готовый кремниевый фотоэлемент в корпусе(покупной) [Приложение 5], провода, светодиод, клемы для батарейки, сама батарейка для накопления энергии за день, пластиковая упаковка из-под конфет [Приложение 6], материал для декора [Приложение 7], клей.

На плату готовой кремниевой пластины папа припаял светодиод и выходы для накопителя и все собираем в корпус [Приложение 8]. В итоге у нас получается вот такой милый фонарик [Приложение 9]. По итогу сборки заряжаем нашу солнечную батарею и проверяем на работоспособность наш плавающий фонарик для фонтана.

Заключение

Подводя итог, можно сделать вывод, что через 15-25 лет нефть и газ уже небудут массово использовать как топливо, и мир вынужден будет переходить полностьюна альтернативные источники энергии, одним из которых и является солнце.

Направления дальнейших исследований. По мере того, как стоимость фотоэлементов будетснижаться, а технология - совершенствоваться, откроется несколько потенциальноогромныхрынковфотоэлементов. К примеру, фотоэлементы, стройматериалы, будут осуществлять вентиляцию и освещение. Потребительские товары - от ручного инструмента до автомобилей - выиграют вкачестве от использования компонентов, содержащих фотоэлектрические компоненты. Коммунальные предприятия также смогут находить все новые способы примененияфотоэлементов для удовлетворения потребностей населения.

Мне очень понравилось работать над солнечной батареей. Он получилась довольно красивой. Но самое главное - удовольствие от работы. Это была очень большая и сложная практическая работа, и конечно, были вещи, которые у меня не получались, или получились, но не так, как я хотела. Я узнала много нового о солнечной энергии, солнечных батареях и об их истории. В результате я осталась довольна проделанной работой. Принцип преобразования солнечной энергии в электрическую мной использован на практике.

Выводы:

  1. Сегодня энергия солнца может использоваться для множества задач. Одна из них - это преобразование солнечной энергии в электрическую.
  2. Солнечные батареи - это один из главных альтернативных источников энергии на сегодняшний день.
  3. Созданная мною модель солнечной батареи будет иметь хоть и небольшое, но немаловажный значение, ведь если в каждой семье хоть малейшее начало экономии электроэнергии будет иметь место - это уже огромная победа в масштабах страны.

Список использованных источников и литературы

  1. Галилео. Наука опытным путем. Выпуск №2, 2011, Солнечная энергия - «Де Агостини», с 5.
  2. Наука и жизнь: ежемесячный научно-популярный журнал - февраль, 2013/ Е.Л.Лозовская: - с 41.
  3. Новая энциклопедия школьника. Дополненное издание: Издание на русском языке; перевод с английского и научное редактирование/ Т.Бородина, Е.Гупало, М.Дунина, О.Иванова, А.Кириллов. - ООО «Издательская группа «Азбука-Аттикус», 2011 Machaon., с. 159.
  4. Новая детская энциклопедия. - М. ООО «Издательская группа Аттикус», 2008 Machaon? С129.
  5. http://akbinfo.ru/alternativa/solnechnaja-jenergija.html
  6. https://alter220.ru/solnce/solnechnaya-energiya.html
  7. http://energosberejenie.org
  8. http://solarb.ru/istoriya-fotovoltaiki-i-sozdaniya-solnechnykh-batarei
  9. http://sovet-ingenera.com/eco-energy/sun/princip-raboty-solnechnoj-batarei.html
  10. http://www.rusnauka.com/9_DN_2010/Tecnic/61423.doc.htm