Исследовательская работа по физике "Солнечная энергия - энергия будущего".

Управление образования администрации Арзамасского муниципального района МБОУ Новоселковская средняя школа

Региональный этап Всероссийского конкурса юношеских исследовательских работ им. В. И. Вернадского

Исследовательская работа:

«Солнечная энергия – энергия будущего»

Выполнила:Забавина Полина Алексеевна

9 класс

МБОУ Новоселковская СШ

Арзамасского района

Нижегородской области

Руководитель:

Шиндина Татьяна Николаевна,

учитель физики высшей

квалификационной категории

Адрес школы:

607264д. Бебяево д.40в

Арзамасский район

Нижегородская область

МБОУ Новосёлковская СОШ

Тел. [phone]

Факс [phone]                        2017

Содержание

                                                                                                                      стр                                                                                       

1.     Введение                                                                                                    3-4

2.     Обзор литературы                                                                                     5-7

3.     Исследование зависимости КПД солнечной батареи от электрического сопротивления нагрузки и интенсивности солнечного излучения  8-12

4.     Вывод                                                                                                      13-14

5.     Список литературы                                                                               14

6.     Приложения                                                                                            14-20

Введение

В современном мире новых технологий и быстрого роста прогресса, невозможно прожить без энергии. Люди научились пользоваться природными ресурсами и тем самым значительно упростили себе жизнь. Они начали строить специальные электростанции, обеспечивающие их столь необходимым, ведь без энергии не будут работать автомобили, электроприборы, отопительные системы, фабрики, заводы и многое другое, без чего не представляет своей жизни современный человек. При этом проблема энергообеспечения и энергосбережения актуальна. Дело не только в ограниченности ископаемых энергоносителей (запасов угля может хватить примерно на 350 лет, нефти – на 40 лет, природного газа – на 60) и не в стремительном росте цен на топливо. Главной причиной тревоги экологов являются необратимые последствия сжигания топлива для окружающей среды. Поэтому проблема возобновляемых источников энергии становится наиболее актуальной. Одним из наиболее безопасных для экологии  источников является Солнце. Для преобразования энергии Солнца в электрическую служат солнечные батареи.

Мне стало интересно: как они устроены? Выгодно ли их использование в сравнении с другими источниками энергии? От каких факторов зависит их КПД?

Именно на эти вопросы я пыталась ответить при написании этой работы.

Цель рабаты: Обосновать значение энергоэффективных технологий с использованием энергии Солнца.

Задачи:

1.     Изучить применение и принцип работы солнечных батарей.

2.     Установить какое место занимают фотоэлементы в решении вопроса энергообеспечения.

3.     Исследовать зависимость КПД солнечной батареи от электрического сопротивления нагрузки и интенсивности солнечного излучения.

Обзор литературы

Для преобразования энергии светового излучения в энергию электрического тока широко применяются полупроводниковые фотоэлементы. Полупроводниковый элемент имеет следующее устройство. В плоском кристалле кремния или другого полупроводника с дырочной проводимостью создается тонкий слой с электронной проводимостью. На границе раздела этих слоев возникает p – n переход. При освещении полупроводникового кристалла количество свободных электронов и дырок увеличивается. Этот процесс называется внутренним фотоэффектом. Когда электрон и дырка в дырочном полупроводнике приближаются к p –n  переходу, то под действием электрического поля контакта электрон перебрасывается в электронный полупроводник, а дырка – в слой дырочного полупроводника. В результате такого разделения слой электронного полупроводника приобретает отрицательный заряд, а слой дырочного полупроводника – положительный. При соединении проводником этих слоев в цепи возникает электрический ток, причем сила тока пропорциональна мощности светового потока. Солнечная батарея представляет собой систему соединенных последовательно и параллельно полупроводниковых фотоэлементов.

Излучение Солнца в наши дни занимает в балансе энергетиков такое же положение, как нефть в середине прошлого века, когда преобладали уголь, торф, дрова. Однако уже сегодня ток, вырабатываемый Солнцем, имеет практическое значение. Специалисты убеждены, что к 2060 году доля энергии Солнца на мировом энергетическом рынке превысит 50%. До недавнего времени из-за высокой стоимости солнечных элементов они применялись либо в космонавтике, либо в местностях, отдаленных от линий электропередач, либо в особых видах изделий, где затраты энергии минимальны.Благодаря химикам, разрабатывающим новые способы получения кремниевых солнечных элементов, цена на эти элементы быстро снижается. Уже имеются солнечные электростанции в США. На вершинах Гималаев солнечные батареи заряжают никель-кадмиевые аккумуляторы альпинистов, а в отдаленных районах Австралии - электрические ограждения для овец. В домах японских крестьян греют воду и дают электроток. Солнечные печи для подогрева воды используются в среднеазиатских странах. Эти СЭС обладают уникальными свойствами: не загрязняют воздух, не требуют топлива, не образуют отходов. Они могут работать даже при рассеянном свете и отрицательных температурах. У них  большой срок и высокая безопасность в эксплуатации. Вот некоторые показатели различных энергоустановок на 1 МВт выработанной ими энергии

Типы электростанций	Выброс вредных веществ в атмосферу, кг	Занимаемая площадь, га	Потребление чистой воды, м3	Сброс грязной воды, м3	Затраты на охрану природы, %
ТЭЦ: уголь	25	1,5	60	0,5	30
ГЭС	-	100	-	-	-
АЭС	-	-	90	0,5	50
ВЭС	10	-	-	1	-
БЭС	10	-	20	0,2	10
СЭС	-	2	-	-	-

Возможным решением проблемы энергообеспечения могут являться солнечные космические электростанции. Остановимся кратко на тех привлекательных сторонах, которые имеет СКЭС, как одна из энергосистем:

·        СКЭС использует неистощимую (возобновляемую) энергию Солнца, т.е. того, уже созданного природой термоядерного котла, благодаря которому существует все живое на нашей планете.

·        Не расходуются ограниченные по размерам и ценные для технологических процессов будущего природные ресурсы Земли (уголь, нефть, газ и др.).

·        СКЭС обеспечивает минимальные тепловые потери (КПД может достигать 85-90%), что довольно существенно - проблема теплового загрязнения является одной из наиболее крупных глобальных проблем, возникающих перед Человечеством.

·         Нет проблем, связанных с выбросами СО2 .

·        Отсутствует какие-либо иные выбросы, загрязняющие атмосферу.

·        Нет проблем, связанных с захоронением радиоактивных отходов и/или отработавшего ресурс радиоактивного оборудования.

·        Высокая степень безопасности для населения Земли.

·        Наземная приемная система может быть приподнята над поверхностью Земли и обладать на 80-90% прозрачностью для солнечного излучения. Это позволяет эффективно использовать ее площадь для сельскохозяйственных или промышленных целей.

·        Микроволновый пучок СКЭС может легко перебрасываться с одной приемной системы на другую, обеспечивая, тем самым, возможность оперативного переключения территориально удаленных потребителей.

Из этих и некоторых других фактов (см. Приложение 4) можно сделать вывод, что СКЭС довольно выгодный при использовании вид электростанции.

Исследование зависимости КПД солнечной батареи от электрического сопротивления нагрузки и интенсивности солнечного излучения

Мы можем предположить, что КПД солнечной батареи зависит от сопротивления, ведь при изменении электрического сопротивления меняется и сила тока. Также на количество поглощаемого батареей света, скорее всего, влияет интенсивность солнечного излучения. В воздухе могут присутствовать облака, пыль, дым и другие помехи, отражающие или поглощающие солнечную энергию. Эту зависимость мы будем устанавливать опытным путем. Но прежде всего, необходимо определить формулу КПД солнечной батареи.

Мы знаем, что КПД любого преобразователя одного вида энергии в другой – это отношение полезной энергии – в нашем случае мощность электрического тока, полученного в результате работы солнечной батареи Pт – к затраченной – для нас это мощность солнечного излучения Pс. Из этого мы получаем следующую формулу

η= 100%

И так, мы начали свои опыты. Исходя из рассуждения о том, что результаты исследований могут зависеть от расстояния от Солнца до Земли (оно зависит от времени года), экспериментировали мы три раза: весной и осенью. В первый раз мы сделали попытку пасмурным мартовским днем, но, к сожалению, показания приборов были слишком малы и неудобны для вычислений. Тогда мы решили дождаться более погожего дня, а заодно и проверить свою гипотезу о том, что КПД солнечной батареи также зависит от наличия в атмосфере препятствий. Следующий опыт мы провели уже в апреле в ясный солнечный день. На этот раз у нас без труда получилось снять показания. Нетрудно понять, что наше предположение оказалось верным.

Опыты мы проводили, используя школьное оборудование для уроков физики. К клеймам фотоэлемента мы подключили магазин сопротивлений на 10 Ом последовательно с миллиамперметром, а параллельно им милливольтметр, показывающий напряжение на вешнем участке цепи. Меняя сопротивление нагрузки от 0 до 10 Ом, а именно 1 Ом, 3 Ом, 5 Ом,10 Ом мы записывали силу тока и напряжение. Меняя сопротивление,вычисляли полезную мощность солнечной батареи по формуле

Р_т = IU

Для того чтобы определить мощность солнечного излучения, нам необходимо знать плотность солнечного потока солнечного излучения, падающего на батарею. В интернете мы нашли таблицу зависимости этой величины от высоты Солнца над горизонтом.

Высота Солнца над горизонтом, град.	Плотность потока солнечного излучения, w Вт/м2
5	270
10	450
15	570
20	660
30	770
40	840
50	890
60	910

Из этой таблицы можно сделать вывод, что чем выше Солнце над горизонтом, тем больше плотность потока солнечного излучения. Следовательно, наши исследования также будут зависеть от этих величин. Их мы будем находить в интернете, с помощью специальных калькуляторов.  На момент наших исследований высота солнца над горизонтом составляла около 40 градусов. Судя по таблице, плотность потока в этот момент составляла около 840 Вт/м². Мощность солнечного излучения, падающего на батарею, мы будем находить по формуле

P_c=wS

Здесь S- площадь поверхности фотоэлементов батареи. Нам уже известна плотность потока w, чтобы найти его мощность нам необходимо узнать, чему равняется S. Для этого с помощью линейки мы измерили стороны ячеек, составляющих нашу солнечную батарею, и посчитали их количество. Таким образом, перемножив длину, ширину и количество ячеек, мы нашли площадь солнечной батареи: S=4см*2см*20=160см².

Теперь все необходимые данные у нас имеются. Остается только перевести их в систему СИ и оформить таблицу.

R, Ом	I, А	U, В	Pт, Вт	h, град	w, Вт/м2	S, м2	Pс, Вт	КПД, %
1	0,15	0,2	0,03	40	840	0,016	13,44	0,223
3	0,15	0,7	0,105	40	840	0,016	13,44	0,781
5	0,15	0,8	0,12	40	840	0,016	13,44	0,893
10	0,15	1,4	0,21	40	840	0,016	13,44	1,563

Мы сделали предположение о том, что невысокое значение КПД солнечной батареи можно объяснить колебаниями уровня солнечной инсоляции (плотность потока излучения) в зависимости от времени года. В интернете мы нашли уровень солнечной инсоляции. Сезонные колебания оказались значительными.

Определили КПД нашей солнечной батареи с учетом колебаний уровня солнечной инсоляции в зависимости от времени года. Наше предположение о том, что КПД фотоэлемента зависит не только от высоты Солнца над горизонтом, но и от колебаний плотности потока солнечного излучения в различное время года, оказалось справедливым.

Мы решили доказать это опытным путем. Свой второй опыт мы проводили спустя полгода, осенью. Мы сделали это по тому же принципу, что и первое снятие показаний и также собрали все данные в таблицу.

R, Ом	I, А	U, В	Pт, Вт	h, град	w, Вт/м2	S, м2	Pс, Вт	КПД, %
1	0,1	0,1	0,01	40	840	0,016	13,44	0,074
3	0,1	0,4	0,04	40	840	0,016	13,44	0,298
5	0,1	0,6	0,06	40	840	0,016	13,44	0,446
10	0,1	0,8	0,08	40	840	0,016	13,44	0,595

Также мы решили в тот же день провести опыт и на улице, чтобы узнать, не препятствует ли стекло поглощению батареей солнечного света. Вот что у нас получилось.

R, Ом	I, А	U, В	Pт, Вт	h, град	w, Вт/м2	S, м2	Pс, Вт	КПД, %
1	0,15	0,2	0,03	40	840	0,016	13,44	0,223
3	0,15	0,7	0,105	40	840	0,016	13,44	0,781
5	0,15	0,8	0,12	40	840	0,016	13,44	0,893
10	0,15	1,4	0,21	40	840	0,016	13,44	1,563

Таблицы наглядно показывают, что во всех опытах результаты различны.

Выводы

Таким образом, мы изучили принцип работы солнечной батареи, узнали от чего зависит ее КПД и какое место она занимает в решении вопроса об энергосбережении.

Мы изучили несколько способов увеличения КПД фотоэлементов: от электрического сопротивления нагрузки и интенсивности солнечного излучения. Установили: производительность солнечной батареи возрастает по мере увеличения нагрузки и интенсивности солнечного излучения. При росте освещенности пластины значительно возрастает напряжение. При сопротивлении в 10 Ом напряжение возросло то 0,8 В до1,4 В. При этом ток вырос всего на 0,05А. Следует отметить, что во время проведения исследования в кабинете физики и на улице около школы сила тока изменилась. В первом случае (солнечное излучение проходило через оконное стекло) сила тока была равна 0,1 А, во втором (свет падал непосредственно на батарею) 0,15 А. Невысокое значение электрического тока можно объяснить сравнительно небольшим уровнем солнечной инсоляции в осенний период.

 С целью более глубокого изучения данного вопроса, следует продолжить исследования зависимости КПД солнечной батареи от интенсивности солнечного излучения в зимние и летние месяцы. Возникающий ток солнечных батарей можно использовать для питания различных устройств или зарядки аккумулятора. При наличии солнечного излучения достаточной интенсивности напряжение на аккумуляторе будет расти по мере зарядки аккумулятора, при этом ток практически остается постоянным. Таким образом, солнечная батарея представляет собой идеальное зарядное устройство. При конструировании солнечных систем необходимо учитывать потери в проводах и присоединенных устройствах. Экономия энергии при использовании солнечных батарей решается на солнечных электростанциях. При этом необходим выбор оптимального угла установки, чтобы поверхность солнечной батареи располагалась перпендикулярно к лучам солнца, так как солнце в течение года постоянно меняет высоту над горизонтом желательно устанавливать солнечные батареи под тем углом, который обеспечивает максимальный выигрыш по производительности в нужное время. Можно поворачивать солнечную батарею за солнцем в течение дня, что снижает потери интенсивности падающего на батарею света. Конечно, если таким трудом полученную энергию расходовать неэкономно, то все ухищрения по получению дополнительной энергии пропадут впустую.

Замена ламп накаливания на люминесцентные и газоразрядные дает снижение затрат на освещение примерно в 4-10 раз. Применение бытовой техники с индексом энергопотребления “A” и “A+” дает еще более значительный выигрыш. Вопросы энергосбережения, в условиях значительного роста цен на энергоносители, когда происходит истощение запасов органического топлива, приобретают первостепенное значение не только в системах электроснабжения на солнечных батареях, но и других альтернативных источников электроснабжения.

Список литературы

1.      Пёрышкин А.В. Физика. 8 кл. М.: Дрофа 2009 г.

2.     Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б. Сотский Н.Н. Физика. 10 кл М., Просвещение 2009 г.

3.     Электронный калькулятор высоты солнца над горизонтом http://planetcalc.ru/320/

4.     http://www.gigavat.com/ses_sun.php

5.     http://www.gigavat.com/ses_kosmos.php

Приложение

Приложение 1

Полупроводниковые элементы.

Полупроводниковые материалы имеют твердую кристаллическую структуру и по удельному сопротивлению в промежутке между проводниками и диэлектриками.

В производстве полупроводников обычно используются германий и кремний.

Кремний – третий по распространенности элемент во вселенной и второй, после кислорода на Земле. Запасы кремния практически неисчерпаемы. Обычный песок не что иное, как маленькие кусочки окси кремния. Полупроводники отличаются от проводников тем, что при нагревании их удельное сопротивление не увеличивается, как в металлах, а уменьшается. Это происходит от того, что на внешней оболочке атома кремния находится 4 вакантных электрона, сравнительно слабо связанных с ядром. Эти атомы прочно соединены между собой ковалентной парноэлектронной связью и при низких температурах трудно разорвать эти связи.

При нагревании электроны начинают отрываться от своих мест и свободно перемещаться по узлам решетки, а на их месте появляются дырки (вакантные места с избытком положительного заряда). Потом на место дырки может встать другой электрон, но на месте, откуда он перепрыгнул, появляется новая дырка. Таким образом, дырки могут перемещаться по всему кристаллу. В основном полупроводники в чистом виде не применяются, так как число образующихся дырок будет равно числу свободных электронов. А наличие даже малого количества примессей может изменить механизм электропроводимости: сделать его электронным или дырочным.

Если к германию в качестве примессей добавить мышьяк, то число свободных электронов увеличится и общий заряд крастилла перестанет быть нейтральным, а станет отрицательным. Это произойдет от того, что у атома мышьяка на внешней электронной оболочке 5 электронов, а в связях будет участвовать 4 электрона, и 1 окажется свободным. (При добавлении одной десятимиллионной части мышьяка к кремнию, его электропроводимость увеличивается в 1016 раз.)

Такая примесь называется донорной, а полупроводник – n-типа. В нем основными носителями заряда являются электроны, а неосновными – дырки. Еще примесь в полупроводниках может быть принимающей. Она осуществляется, если к германию добавить индий. Здесь дляполной связи индию не хватает электрона. Индий забирает электроны у кремния и в смеси появляется избы ток дырок.

В этом полупроводнике основными носителями заряда являются дырки, а неосновными – электроны, полупроводник p-типа.

Приложение 2.

Типы фотоэлектрических систем.

Есть три основных типа солнечных фотоэлектрических систем:

Автономные системы, обычно применяемые для электроснабжения отдельных домов

Соединенные с сетью системы (с аккумуляторами и без аккумуляторов)

Резервные системы

Автономные фотоэлектрические системы используются там, где нет сетей централизованного электроснабжения. Для обеспечения энергией в темное время суток или в периоды без яркого солнечного света необходима аккумуляторная батарея. АФЭС часто используются для электроснабжения отдельных домов.

Когда есть сеть централизованного электроснабжения, но есть желание иметь электроэнергию от чистого источника (солнца), солнечные панели могут быть соединены с сетью. При условии подключения достаточного количества фотоэлектрических модулей, определенная часть нагрузки в доме может питаться от солнечного электричества.

Резервные солнечные системы используются там, где есть соединение с сетью централизованного электроснабжения, но сеть ненадежна. Резервные системы могут использоваться для электроснабжения в периоды, когда нет напряжения в сети.

Приложение 3.

Измерение высоты солнца над горизонтом.

В своем исследовании нам было необходимо определять высоту солнца. Для этого мы использовали специальные калькулятор, найденный в интернете, но существуют и другие способы найти эту величину. Например, можно использовать транспортир с отвесом, как это показано на рисунке.

Измерение высоты солнца над горизонтом с помощью транспортира с отвесом не дает однозначного результата. Погрешность измерения возникает из-за того, что Солнце имеет линейные размеры, кроме того солнечное излучение затрудняет измерение высоты без солнцезащитных очков.

Приложение 4.

Строение СКЭС.

Конструктивный облик типовой крупномасштабной космической солнечной электростанции в основном определен. При полезной мощности энергосистемы 5 млн. кВт электростанция будет представлять собой грандиозное сооружение массой 20—50 тыс. т. Площадь солнечного коллектора, основанного на малоэффективном, но простом и надежном фотоэлектрическом способе преобразования энергии, составит около 50 км2. Другой, более эффективный термодинамический способ преобразования отличается наличием сложных систем, включая узлы вращения, большой материалоемкостью конструкции, но габариты коллектора-концентратора солнечного излучения у него будут существенно меньшими.

Электростанция, выведенная на геостационарную орбиту (высота 36 тыс. км), «повиснет» над одной точкой земной поверхности и станет, круглосуточно освещаемая Солнцем, практически непрерывно вырабатывать электроэнергию и передавать ее на Землю. Солнечные энергоустановки малой мощности успешно работают на геостационарной орбите в составе спутников связи. Принципиально новой является система направленной передачи энергии по каналу «космос—Земля». Передача энергии на Землю из космоса возможна с помощью сверхвысокочастотного или лазерного излучения. Первый способ предпочтительнее по ряду причин: СВЧ-излучение беспрепятственно проникает сквозь толщу атмосферы, не боится туманов и грозовых туч. У него сравнительно низкие потери при прямом и обратном преобразовании энергии. Диаметр передающей антенны принимается равным 1 км. Излучаемый такой антенной пучок попадает на приемную антенну, диаметр которой составляет не менее 10 км. Здесь его энергия преобразовывается в электрический ток промышленной частоты, который направляется в энергосистему страны.