Сонячні батареї

Управління освіти і науки Білоцерківської міської ради

Білоцерківський колегіум Білоцерківської міської ради Київської області

Секція фізики

Сонячні батареї

Роботу виконав

Гордієнко Богдан Юрійович

учень 21 групи

Білоцерківського колегіуму

Науковий керівник

Тимошенко Юрій Іванович

вчитель фізики

Білоцерківського колегіуму

Біла Церква 2010р.

ЗМІСТ

Вступ

Розділ 1. Загальні відомості

1.1 Використання сонячної енергії

Розділ 2. Явище фотоефекту і фотоелементи

2.1Фотоефект

2.2 Практичне застосування фотоефекту. Фотоелементи

Розділ 3. Сонячні батареї

3.1 Принцип роботи сонячної батареї

3.2 Сонячні модулі

3.3 Використання сонячних батарей

3.4 Ситуація в Україні

3.5 Переваги використання сонячних батарей

Висновок

Список використаних джерел

ВСТУП

Ця робота аналізує способи видобутку альтернативних джерел електроенергії, які стають все більш актуальними та доступними у побутовому і промисловому використанні. Так як у недалекому майбутньому буде досить важко задовольняти потреби людства за рахунок невідновлювальних джерел енергії, тому людство все більше звертає увагу на альтернативну енергетику, одним з найперспективніших напрямків якої є сонячна енергетика, тому ця науково-дослідницька робота присвячується саме цій темі.

Мета роботи. - ознайомитися з перспективною технологією виробництва енергії, з’ясувати їх переваги і недоліки; з’ясувати роль і місце сонячної енергетики сьогодення та перспективи її розвитку в світі та в Україні; вивчити будову та принцип дії сонячних елементів; розглянути їх можливе застосування у сучасному побуті і промисловості.

Матеріали і методи дослідження. Шляхом обробки різних джерел (наукова література та інтернет-статті) ми дослідили принцип дії фотоефекту, прослідкували історію розвитку сонячних елементів, розглянули переваги і недоліки використання сонячних батарей в побуті і промисловості.

Розділ 1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ

1.1 Використання сонячної енергії

Ще в старовині люди почали замислюватися про можливість вживання сонячної енергії. Згідно легенді, великий грецький вчений Архімед спалив ворожий флот, що оточив його рідне місто Сіракузи, за допомогою системи дзеркал. Напевно відомо, що близько 3000 років тому султанський палац в Туреччині опалювався водою, нагрітою сонячною енергією. Стародавні жителі Африки, Азії і Середземномор'я одержували куховарську сіль, випаровувавши морську воду. Справжній "сонячний бум" почався в XVIII сторіччі, коли наука, звільнена від пут релігійних марновірств, пішла вперед семимильними кроками. Перші сонячні нагрівачі з'явилися у Франції. Природодослідник Ж. Бюффон створив велике увігнуте дзеркало, яке фокусувало в одній крапці відображене сонячне проміння. Це дзеркало було здатне в ясний день швидко запалити сухе дерево на відстані 68 метрів. Незабаром після цього шведський вчений Н. Соссюр побудував перший водонагрівач. Це був всього лише дерев'яний ящик з скляною кришкою, проте вода, налита в нехитре пристосування, нагрівалася сонцем до 88°С. В 1774 році великий французький вчений А. Лавуазье вперше застосував лінзи для концентрації теплової енергії сонця. Незабаром в Англії відшліфували велике двоопукле скло, що розплавляло чавун за три секунди і граніт - за хвилину.

Перші сонячні батареї, здатні перетворювати сонячну енергію в механічну, були побудовані знову-таки у Франції. В кінці XIX століття на Всесвітній виставці в Парижі винахідник О.Мушо демонстрував інсолятор - апарат, який за допомогою дзеркала фокусував проміння на паровому казані. Казан приводив в дію друкарську машину, що друкувала по 500 відтиснень газети в годину. Через декілька років в США побудували подібний апарат потужністю в 15 кінських сил (Додаток А).

Вперше натяк на зв'язок електрики і світла прозвучав в працях великого шотландця Джеймса Клерка Максвела. Експериментально цей зв'язок був доведений в дослідах Генріха Герца, який в 1886-1889 роках показав, що електромагнітні хвилі поводяться точно так, як і світлові, - так само прямолінійно розповсюджуються, утворюючи тіні. Йому вдалося навіть зробити гігантську призму з двох тонн асфальту, яка заломлювала електромагнітні хвилі, як скляна призма - світлові. Але ще десятьма роками раніше Герц несподівано для себе помітив, що розряд між двома електродами, відбувається набагато легше, якщо ці електроди освітити ультрафіолетовим світлом.

Ці досліди зацікавили професора фізики Московського університету Олександра Григоровича Столетова. В лютому 1888 року він приступив до серії дослідів, направлених на вивчення таємного явища. Вирішальний досвід, що доводить наявність фотоефекту - виникнення електричного струму під впливом світла, - був проведений 26 лютого. В експериментальній установці Столетова потік електричний струм, народжений світловим промінням. Фактично запрацював перший фотоелемент, який згодом знайшов численні вживання в самих різних областях техніки.

На початку XX століття Альберт Ейнштейн створив теорію фотоефекту, і в руках дослідників з'явилися, здавалося б, всі інструменти для оволодіння цим джерелом енергії. Були створені фотоелементи на основі селену, потім - талієві. Але вони володіли дуже малим коефіцієнтом корисної дії і знайшли вживання тільки в пристроях управління, подібних звичним турнікетам в метро, в яких промінь світла перегороджує дорогу безбілетникам.

Наступний крок був зроблений, коли вченими були детально вивчені відкриті ще в 70-х роках минулого століття фотоелектричні властивості напівпровідників. Виявилося, що напівпровідники набагато ефективніше за метали перетворять сонячне світло в електричну енергію.

Академік Абрам Федорович Іоффе мріяв про вживання напівпровідників в сонячній енергетиці ще в 30-го роки, коли співробітники керованого ним Фізико-технічного інституту АН СРСР в Ленінграді Б.Т.Коломієць і Ю.П.Маслаковець створили мідно-талієві фотоелементи з рекордним по тому часу коефіцієнтом корисної дії - 1%! Наступним кроком на цьому напрямі пошуку було створення кремнієвих фотоелементів. Вже перші зразки їх мали коефіцієнт корисної дії 6%. Використовуючи такі елементи, можна було подумати і про практичне отримання електричної енергії з сонячного проміння.

Розділ 2. Явище фотоефекту і фотоелементи

2.1 Фотоефект

У 1887 році Г. Герц спостерігав явище, яке згодом стало поштовхом у розвитку квантових уявлень про природу світла. Під час опромінення ультрафіолетовим світлом негативно зарядженої пластинки відбувався сильніший електричний розряд, ніж за відсутності такого опромінення. Як з'ясувалося пізніше, це було проявом явища фотоефекту — виходу електронів з тіла в інше середовище або вакуум під дією електромагнітного випромінювання. Цей вид фотоефекту називають зовнішнім, або фотоелектронною емісією (Мал.1.).

Мал 3. Ілюстрація вибивання фотоелектронів із металевої пластини.

Фотоефект є результатом трьох послідовних процесів: поглинання фотона, внаслідок чого енергія одного електрона стає більшою за середню; руху цього електрона до поверхні тіла; виходу його за межі тіла в інше середовище через поверхню поділу.

У 1888—1889 р. це явище докладно вивчав російський учений О. Г. Столєтов (1839— 1896). Він виготовив конденсатор, одна з обкладок якого С була сітчастою, й увімкнув його в електричне коло з гальванометром (Додаток Б).

Коли на негативно заряджену цинкову обкладку Р падає ультрафіолетове світло, у колі виникає струм, який фіксує гальванометр. Якщо джерело струму Е увімкнути протилежно (обкладку Р приєднати до позитивного полюса), то струм у колі не йтиме. За допомогою потенціометра R напругу на конденсаторі можна змінювати.

Вивчивши за допомогою такої установки залежність сили струму від частоти хвилі світла, його інтенсивності, інших характеристик випромінювання, О. Г. Столєтов установив три закони фотоефекту:

1)                число електронів, що вилітають із поверхні тіла під дією електромагнітного випромінювання, пропорційне його інтенсивності. У 1888 р. німецький фізик В.Гальвакс встановив, що під дією світла металева пластинка заряджається позитивно

2) для кожної речовини залежно від її температури і стану поверхні існує мінімальна частота світла VQ, за якої ще можливий зовнішній фотоефект;

3) максимальна кінетична енергія фотоелектронів залежить від частоти опромінення і не залежить від його інтенсивності.

При поясненні цих висновків на основі хвильової теорії виникли протиріччя між її положеннями й одержаними результатами. Це змусило вчених шукати інше тлумачення механізму поглинання світлового випромінювання. З цією метою А.Ейнштейн застосував квантові уявлення про природу світла і на їх основі вивів рівняння фотоефекту.

де ν — частота світла, h — стала Планка, m — маса електрона, v — його швидкість, A — робота виходу.

Це співвідношення називають рівнянням Ейнштейна для зовнішнього фотоефекту. За пояснення законів зовнішнього фотоефекту А. Ейнштейн у 1922 р. був удостоєний Нобелівської премії.

Як відомо, для того щоб електрон покинув тверде тіло або рідину, він має виконати роботу виходу A0, тобто подолати енергетичний бар'єр взаємодії з атомами і молекулами, які утримують його всередині тіла. За квантовою теорією поглинання світла, це передавання фотоном усієї своєї енергії мікрочастинкам речовини. Отже, фотоефект може відбутися лише за умови, що фотон має енергію більшу за роботу виходу (hv > A0); якщо ж hv < А0, то фотоефект неможливий. Якщо енергія фотона, передана електрону внаслідок поглинання світла, більша за роботу виходу, то електрон набуває кінетичної енергії.

Мінімальну частоту v0 (або максимальну довжину хвилі 0) випромінювання, яке ще викликає зовнішній фотоефект, називають червоною межею фотоефекту

Фотоелектрони — це електрони, вибиті з поверхні тіла внаслідок фотоефекту

Фізичний зміст роботи виходу в металів полягає в тому, що це мінімальна енергія, потрібна для виходу електрона з тіла у вакуум. Тому, крім хімічної природи металу, вона істотно залежить від стану поверхні тіла

2.2 Практичне застосування фотоефекту. Фотоелементи

Явище фотоефекту практично було застосоване в пристроях для прямого перетворення світлової або сонячної енергії в електроенергію, які називаються фотоелементами (з англійської Photovoltaics, від грецького photos – світло і назви одиниці електрорушійної сили – вольт) (Додаток В). Історія фотоелементів бере початок в 1839 році, коли французький фізик Едмон Беккерель відкрив фотогальванічний ефект. За цим послідували подальші відкриття:

У 1883 р. електрик з Нью-Йорка Чарльз Фріттс виготовив фотоелементи з селену, які перетворять світло у видимому спектрі в електрику і мають ККД 1-2%. (світлочутливі елементи для фотоапаратів до цих пір роблять з селену).

На початку 50-х років ХХ століття був винайдений метод Чохральського, який застосовується для вирощування кристалічного кремнію.

Перша сонячна батарея була створена в 1953 році вченими Національного аерокосмічного агентства США, які створили справжню сонячну батарею - пристрій, що безпосередньо перетворює енергію сонця в електрику.

Спочатку це була просто демонстраційна модель. Якогось практичного вживання тоді не передбачалося із-за дуже малої потужності перших сонячних батарей.

Але з'явилися вони дуже вчасно, для них незабаром знайшлося відповідальне завдання.

Людство готувалося зробити крок в космос. Задача забезпечення енергією численних механізмів і приладів космічних кораблів стала однією з першочергових. Існуючі акумулятори, в яких можна б було запасти електричну енергію, неприйнятно громіздкі і важкі. Дуже велика частина корисного навантаження корабля пішла б на перевезення джерел енергії, які, крім того, поступово витрачаючись, скоро перетворилися б на даремний громіздкий баласт. Найпринаднішим було б мати на борту космічного корабля власну електростанцію, бажано - що обходиться без палива. З цієї точки зору сонячна батарея виявилася дуже зручним пристроєм. На цей пристрій і звернули увагу вчені на самому початку космічної ери.

Вже третій радянський штучний супутник Землі, виведений на орбіту 15 травня 1958 року, був оснащений сонячною батареєю. А зараз широко розкриті крила, на яких розміщені цілі сонячні електростанції, стали невід'ємною деталлю конструкції будь-якого космічного апарату. Невеликі (менше 1 вата) фотоелектричні батареї живили радіопередавач американського космічного супутника «Авангард». Взагалі, космічні дослідження зіграли важливу роль в розвитку фотоелементів.

У 1954 р. в лабораторії компанії «Bell Telephone» синтезували силіконовий фотоелектричний елемент з ККД 4%, надалі ефективність досягла 11%.

Під час нафтової кризи 1973-74 рр. відразу декілька країн запустили програми по використанню фотоелементів, що привело до установки і випробування понад 3100 фотоелектричних систем лише в Сполучених Штатах. Багато хто з них до цих пір знаходиться в експлуатації.

Подальша історія розвитку технології фотоелементів:

1974 - перша аморфна кремнієва батарея;

1983 - перша електростанція на основі сонячних батарей з потужністю більш 1мегаватт;

1984 - США, електростанція на основі сонячних батарей потужністю 6,5 мегават;

1985 - перша сонячна батарея з коефіцієнтом корисної дії більше 20%;

1987 - перше серійне виробництво сонячних батарей в Європі;

1989 - сонячна батарея з коефіцієнтом корисної дії більше 30%;

2007 - дослідники з Делавера (США) створили сонячну батарею, яка володіє рекордною ефективністю - 42,8%. Батарея, виконана на основі полікристалічного кремнію містить унікальну оптичну систему, що розділяє світло на декілька пучків з різною енергією і спрямовує їх на відповідні приймачі.

Розділ 3. Сонячні батареї

3.1 Принцип роботи сонячної батареї

Напівпровідникові фотоелектричні елементи, що працюють на принципі перетворення світлової енергії сонячного випромінювання безпосередньо в електрику називають сонячними батареями.

Мал. 2. Схема роботи кремнієвої сонячної батареї:

1 - чистий монокристалічний кремній; 2 - «забруднений» кремній; 3 - акумулятор

Тонка пластина складається з двох шарів кремнію з різними фізичними властивостями. Внутрішній шар являє собою чистий монокристалічний кремній. Зовні він покритий дуже тонким шаром «забрудненого» кремнію, наприклад з домішкою фосфору. Після опромінення такої «вафлі» сонячними променями між шарами виникає потік електронів і утворюється різниця потенціалів, а в зовнішньому ланцюзі, що з'єднує шари, з'являється електричний струм.

При цьому генерується постійний струм. Енергія може використовуватися як напряму різними навантаженнями постійного струму, запасатися в акумуляторних батареях для подальшого використовування або покриття пікового навантаження, а також перетворюватися в змінний струм напругою 220 В для живлення різного навантаження змінного струму.

Вживання сонячних батарей стає ефективним при об'єднанні їх в єдину систему з такими пристроями, як акумулятори, контролери, інвертування.

3.2 Сонячні модулі

Сонячний модуль - це батарея взаємозв'язаних сонячних елементів, укладених під скляною кришкою. Фотоелектричну систему можна довести до будь-якого розміру. Власник такої системи може збільшити або зменшити її, якщо зміниться його потреба в електроенергії. У міру зростання енергоспоживання і фінансових можливостей, домовласник може додавати модулі (Додаток Г). Чим інтенсивніше світло, падаюче на фотоелементи і чим більше їх площа, тим більше виробляється електрики і тим більше сила струму. Модулі класифікуються по піковій потужності у ватах (Втп). Ват - одиниця вимірювання потужності. Один піковий ват - технічна характеристика, яка указує на значення потужності установки в певних умовах, тобто коли сонячне випромінювання в 1 кВт/м2 падає на елемент при температурі 25 оC. Така інтенсивність досягається за хороших погодних умов і Сонця в зеніті. Щоб виробити один піковий ват, потрібен один елемент розміром 10 x 10 см. Крупніші модулі, площею 1 м x 40 см, виробляють близько 40-50 Втп. Проте сонячна освітленість рідко досягає величини 1 кВт/м2. Більш того, на сонці модуль нагрівається значно вище за номінальну температуру. Обидва ці чинника знижують продуктивність модуля. В типових умовах середня продуктивність складає близько 6 Вт·ч в день і 2000 Вт·ч в рік на 1 Втп. 5 ват-година - це кількість енергії, споживана лампочкою 50-вата протягом 6 хвилин (50 Вт x 0,1 ч = 5 Вт·ч) або портативним радіоприймачем протягом години (5 Вт x 1 ч = 5 Вт·ч).

Страницы: 1, 2