Департамент образования города Москвы
Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение
города Москвы
«Гимназия № 000 «Московская городская педагогическая гимназия-лаборатория»»
ДИПЛОМНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
на тему:
Солнечные батареи
Выполнил:
10 “В”
Руководитель
Рецензент:
Москва
2016/2017 уч. г.
Оглавление
Введение………………………………………………………………....2
Солнечная батарея, ее устройство……………………………...4 Типы солнечных батарей………………………………..............5 Применение………………………………………………………8 КПД……………………………………………………………….9 Автономные системы………………………………………........92.1. Проведение опытов……………………………………………..12
2.2. Выводы исследования…………………………………………..21
Заключение……………………………………………………………..22
Список литературы…………………………………………………….23
Введение
Актуальность. Многие в наше время знакомы с солнечными батареями. Их массовое применение можно увидеть в странах Европы: в Голландии, Германии, Британии и многих других. Действительно, это очень актуально в наше время, так как солнечные батареи позволяют получать электроэнергию из света, не прикладывая никаких дополнительных усилий. Они не выделяют никаких отходов во время работы (газы при сгорании угля/газа, ядерные отходы на атомных электростанциях) и не оказывают влияния на природу (вибрации почвы у ветряных электрогенераторов и создание плотин для речных электростанций, мешающих миграции и развитию рыб).
Объект. Характеристики солнечных батарей
Предмет. Солнечная батарея.
Цель: Изучить зависимость характеристик солнечной батареи от различных факторов, создать модель установки, позволяющей максимально эффективно использовать солнечные батареи
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
Определить понятие Солнечной Батареи; Описать устройство Солнечных Батарей; Рассмотреть существующие способы повышения КПД батарей; Провести исследование характеристик батареи в зависимости от различных факторов; Проанализировать результаты исследования. Создать модель установки, на которой солнечная батарея использовалась бы максимально эффективно;Гипотезы исследования. Если характеристики солнечной батареи сильно зависят от внешних факторов, то есть смысл создавать специальную установку, которая поможет снизить их влияние.
Проблема. Солнечные батареи в наше время имеют достаточно низкий кпд, следовательно, нужно принять меры, чтобы или его повысить, или максимально использовать батарею с нынешним КПД.
Глава 1. Теоретическая часть.
1 Солнечная батарея, ее устройство
Солнечная батарея состоит из множества соединенных определенным образом друг с другом фотоэлементов. Рассмотрим принцип ее работы на примере одного такого элемента.
Основой фотоэлемента является кристалл кремния. Кремний в различных формах очень распространен в природе. Самый известный пример – это оксид кремния (то есть песок). Большие кристаллы выращиваются искусственно в лабораторных условиях. Обычно их получают кубической формы, а затем делят на пластины. Толщина этих пластин всего 200 микрон. Это примерно в 3─4 раза толще волоса человека.
На полученные пластины кремния нанесён с одной стороны слой бора, а с другой ─ фосфора. В местах контакта кремниевой пластины с бором имеется избыток электронов. На другой стороне по границе кремниевой пластины с фосфором недостаёт электронов. Там образуются «дырки», как их принято называть. Такую стыковку границ с избыточным количеством электроном и их недостатком называют p-n переходом. На рисунке 1, располагающемся ниже, можно наблюдать схему работы солнечной батареи. Металлические пластины сверху несут функцию положительного электрода, а большая пластина снизу – функцию отрицательного.
Рисунок 1
Принцип действия современных солнечных батарей в целом именно такой, отличаются лишь конструкция и материалы, используемые в производстве, благодаря которым производители постепенно увеличивают такой важный параметр, как коэффициент фотоэлектрического преобразования или КПД устройства. Стоит так же сказать, что мощность батареи напрямую зависит от суммарной площади фотоэлементов (кремниевых пластин) – т. е. от площади одной пластины и их кол-ва.
2 Различные типы солнечных батарей
С устройством мы разобрались, теперь давайте посмотрим, какие типы “солнечных батарей” используются сегодня.
Основным отличием таких батарей, чаще всего является технология производства и материал. Подробнее об этом можно узнать в схеме на рисунке 2, находящемся ниже:
Рисунок 2 - типы батарей
Стандартные солнечные батареи производят из моно - и поликристаллов кремния, так же есть и на основе аморфного кремния.
Рисунок 3. Примеры поликристаллических и монокристаллических батарей.
Любые солнечные батареи изготовлены из ячеек, соединенных между собой. В случае монокристаллических солнечных батарей ячейки изготавливают из максимально чистого кремния, который добывается по методу Чохральского. После затвердевания, полученный кристалл разрезают на пластины толщиной 250-300мкм, которые впоследствии пронизываются металлической сеткой из электродов. Эта технология дорогостояща, поэтому такие батареи дороже поликристаллических, зато они обладают высоким кпд (17-22) процентов.
Для изготовления поликристаллических батарей используются поликристаллы. Чтобы их получить, кремниевый расплав подвергается медленному остыванию. Эта технология требует меньших затрат (но тем не менее все равно огромных), но и батареи имеют меньший кпд (12-18) процентов, что может быть достаточно критично при использовании батарей в больших количествах. Проблема в том, что внутри кристалла полученного таким способом имеются области с зернистыми границами, что снижает КПД.
Можно провести небольшое сравнение:
Параметр | Моно элементы | Поли элементы |
Структура кристалла | Зерна кристаллов параллельны, кристаллы ориентированы в одну сторону | Не параллельны, ориентированы в разные стороны |
Температура производства | 1400 градусов | 1000 градусов |
Цвет | Черный | Темно-синий |
КПД (в процентах) | 17-22 | 12-18 |
Стоит так же заметить, что есть батареи из аморфного кремния, которые по материалу относятся к кремниевым, а по принципу изготовления – к пленочным. Для их изготовления используют силан или кремниеводород, которые наносят на материал подложки. КПД у таких батарей низкий (около 6 процентов), зато их можно гнуть, а в пасмурную погоду они имеют кпд наравне (а порой и выше) с моно и поликристаллическими батареями.
Полимерная солнечная батарея - это пленка, которая состоит из активного слоя (полимера), электродов из алюминия, гибкой органической подложки и защитного слоя. Для создания рулонных полимерных солнечных батарей отдельные пленочные фотоэлементы объединяют между собой. Такие батареи недороги в производстве (для их изготовления не используется дорогой кремний) и экологичны, к тому же, несмотря на низкий КПД (наибольший КПД 6.5 процента при освещенности 0.2 ватта на квадратный сантиметр – единичный экземпляр) они обладают и плюсами – как уже было сказано, низкая стоимость изготовления, легкость, гибкость, компактность.
3 Применение батарей в наше время
В наше время солнечные батареи достаточно широко распространены. Их устанавливают на спутники, они стоят на заправках, прототипах автомобилей, есть электростанции таких батарей, обеспечивающие энергией населенные пункты, да что там – даже в калькуляторы ставятся такие элементы питания.
Рисунок 4 - примеры применения батарей
4 КПД Солнечных Батарей
Коэффициент полезного действия (КПД) — это отношение количества полезной энергии, полученной от какого-либо ее преобразователя, к количеству подводимой к нему энергии. КПД солнечной батареи — это отношение количества энергии, выдаваемой источником света, к количеству энергии выработанной батареей.
Как уже было сказано при описании различных типов батарей, средний КПД у них достаточно низкий. Это связано с тем, что батареи способны эффективно поглощать и перерабатывать только определенные участки спектра, начиная с некоторой энергии. Для самых распространенных кремниевых солнечных батарей, как уже было сказано, эта величина не достигает 30 процентов. Однако по всему миру предпринимаются попытки повысить этот показатель, однако все даже и успешные попытки остаются в лабораториях – в массы таким разработкам пока очень рано.
5 Накопительные системы
Очевидно, что вырабатываемую солнечными батареями энергию необходимо хранить. Для хранения электроэнергии используются аккумуляторы. Они, вместе с солнечными батареями, позволяют сделать автономную систему энергоснабжения. Общая схема такой системы выглядит так:
| Солнечные батареи Контроллер заряда Инвертор Аккумуляторы. |
Рисунок 5 - схема автономной системы на солнечных батареях |
Таким образом, в светлое время суток батареи заряжают аккумуляторы, которые в темное время суток позволяют обеспечивать энергией то, к чему эта схема подключена.
Поподробнее разберем, что представляет из себя каждый элемент такой системы:
Контроллер заряда – электросхема в составе зарядного устройства, которая управляет процессом заряда аккумуляторов. В функции управления процессом обычно входят реализация алгоритма разряда или заряда, эффективного для данного типа аккумуляторов, стабилизация напряжения, при одновременном использовании аккумуляторов и их использовании, и некоторые другие функции, которые зависят от конкретно взятой модели.
Инвертор – устройство, преобразующее постоянный ток в переменный, изменяя при этом напряжение.
По своему принципу действия Инверторы делятся на автономные и зависимые, но в системах солнечных батарей обычно используются автономные.
Автономные, в свою очередь, могут преобразовывать как напряжение, так и ток.
Рисунок 6 - пример автономного инвертора у солнечных батарей
И последнее – аккумуляторы. Самые лучшие и подходящие для автономных систем на базе солнечных батарей или ветряных электрогенераторов, а так же ИБП (источников бесперебойного питания), - это литий-железо-фосфатные АКБ, они имеют высокий КПД, самый высокий из всех типов АКБ – около 90 процентов. Только за счет КПД заряда-разряда энергии получается больше в сравнении с другими АКБ равной емкости. Сам по себе аккумулятор не портится и обещают средний срок службы 15 лет и 3000 циклов при разрядах на 80%, а при разрядах на 50% 5000 циклов, а если разряжать меньше, то циклов обещают до 10000.
Энтузиасты любят использовать автомобильные аккумуляторы в виду их низкой стоимости, но это плохое решение, так как они быстро теряют свою емкость при такой эксплуатации.
Глава 2. Проведение различных опытов
(Практическая часть).
1 Исследование зависимости характеристик батареи от окружающей среды
Чтобы понять, в каком направлении двигаться дальше, нужно провести несколько экспериментов, из которых узнаем, как солнечная батарея реагирует на изменение освещенности и угла падения солнечных лучей на ее поверхность.
Описание приборов, которые будут использоваться в дальнейшем:
- Цифровой вольтметр – предел измерения от 0 до 1000 вольт Лампа накаливания – мощность 80w, световой поток около 900 люмен Солнечная батарея – поликристаллическая, 12 вольт и 1.5 ватт при нормальных условиях, габариты – 115х85мм. Резистор – имеет сопротивление 100ом. Люксметр – основан на телефоне на базе Android, диапазон от 0 до 2000 люкс. ЛАТР – диапазон от 100 до 350 вольт.
Первый опыт.
Цель: узнать зависимость напряжения солнечной батареи от освещенности
Оборудование: Солнечная батарея, Люксметр, Лампа, Вольтметр, ЛАТР, провода.
Ход проведения:
Сбор установкиНа плоской поверхности фиксируется солнечная батарея и люксметр. К батарее подключается вольтметр. Лампа установлена над поверхностью с батареей и люксметром под прямым углом. 
Рисунок 7 - установка для проведения первого опыта
ПроведениеИзменялось мощность лампы путем поднятия напряжения с помощью ЛАТРа, после чего в таблицу записывались полученные значения напряжения солнечной батареи и освещенности. На основе занесенных в таблицу значений был построен график:
Вывод:
Проанализировав результаты опыта, продемонстрированные на графике, становится очевидно, что чем выше освещенность, тем больше напряжение, выдаваемое солнечной батареей.
Второй опыт
Цель: узнать зависимость напряжения и силы тока солнечной батареи от освещенности под нагрузкой
Оборудование: Солнечная батарея, Люксметр, Лампа, ЛАТР, Резистор (100ом), Вольтметр, провода.
Ход проведения:
Сбор установкиНа плоской поверхности фиксируется солнечная батарея и люксметр. К батарее подключается вольтметр и резистор. Лампа установлена над поверхностью с батареей и люксметром под прямым углом.
Проведение:Изменялась мощность лампы с помощью изменения напряжения ЛАТРом, после чего в таблицу записывались полученные значения напряжения солнечной батареи и освещенности.
Рисунок 8 - установка для проведения второго опыта
На основе занесенных в таблицу значений был построен график:
Рисунок 9 - таблица и график второго опыта. По оси y – вольты, по оси x – люксы.
Вывод:
Как можно наблюдать из графика, перед нами практически прямая зависимость. Четко видно, что чем выше освещенность, тем выше напряжение, вырабатываемое этой батареей.
Дополнительная часть
Теперь, на основе этого опыта, узнаем зависимость силы тока от освещенности. Ее можно рассчитать по формуле
, где I – сила тока, U – напряжение, R – сопротивление.
Подставим полученные во 2 опыте значения в эту формулу, учитывая, что использовалось сопротивление 100ом.
Рисунок 10 - таблица и график дополнительной части второго опыта. По оси y – освещенность в люксах, по оси x – сила тока в миллиамперах.
Вывод:
Из полученного графика видим, что и сила тока тоже напрямую зависит от освещенности, как и напряжение.
Третий опыт.
Цель: узнать зависимость напряжения солнечной батареи от угла падения света на батарею.
Оборудование: Солнечная батарея, Солнце, Вольтметр, провода, наклоняемая плоскость.
Ход проведения:
Сбор установкиНа плоской поверхности фиксируется солнечная батарея металлический стержень, по тени которого и будет определяться угол. К батарее подключается вольтметр.
Проведение:Сначала поверхность с батареей выставляется так, чтобы тени от металлического стержня, установленного перпендикулярно этой поверхности, не было. Затем плоскость постепенно отклоняется, и тень достигает определенных отметок шкалы. На каждой из отметок снимаются показания вольтметра. В связи с тем, что была возможна неточность при измерении, измерения проводились несколько раз.
Рисунок 11 - установка для проведения третьего опыта
Во время проведения опыта была составлена таблица со значениями напряжения, соответствующими каждой отметке. Далее был проведен расчет угла, которому и соответствовало это значение. Его можно было найти из прямоугольного треугольника, одним катетом которого был металлический стержень, а вторым – тень. Угол между гипотенузой этого треугольника и катетом, представленным тенью, и есть искомый. (т. е. угол падения света)
Далее составлена таблица, со значениями углов и напряжений для каждой из отметок.
угол | U1 | U2 |
90,00 | 13,60 | 13,40 |
71,94 | 13,40 | 13,31 |
59,33 | 13,33 | 13,21 |
47,93 | 13,18 | 13,10 |
39,64 | 13,01 | 12,92 |
32,85 | 12,90 | 12,83 |
27,12 | 12,70 | 12,70 |
24,49 | 12,50 | 12,60 |
Далее, по этой таблице строим следующий график:
Рисунок 12 – график, полученный из таблицы, показывает зависимость напряжения от угла падения солнечных лучей. По оси y – напряжение в вольтах, по оси x – угол падения солнечных лучей.
Вывод:
Несмотря на незначительные расхождения между графиками двух измерений, проведенных с интервалом 10 минут, четко видно, что солнечная батарея имеет наибольшую эффективность при установке перпендикулярно солнечным лучам.
2 Результаты исследования.
В результате исследования, базирующегося на трех опытах, мы можем сделать вывод, что характеристики солнечной батареи напрямую зависят от внешних факторов – таких как наклон и освещенность. Следовательно, при установке солнечных батарей под прямым углом падения солнечных лучей и при наибольшей освещенности они вырабатывают больше всего электроэнергии, и наоборот, вырабатывают ее меньше, если освещенность ниже и угол падения солнечных лучей отличен от 90 градусов.
Заключение
Опираясь на проведенное исследование, можем сделать вывод, что имеет смысл создание установки, позволяющей снизить влияние внешних факторов (наклона и освещенности) на солнечную батарею. Планируемая установка, на которую будет крепиться солнечная батарея, должна вращаться по 2 осям, чтобы максимально долгое время в течение светового дня поворачивать батарею за солнцем, стараясь удерживать угол падения солнечных лучей на нее близким к 90 градусам. Такая установка должна иметь примерно следующий вид:
Рисунок 13 - оси, вокруг которых должна вращаться установка, чтобы поворачивать батарею за солнцем в течение дня
Рисунок 14 - эскиз установки. Цифрой 1 обозначено место для крепления солнечной батареи, 2 - двигатель, отвечающий за поворот вокруг оси х, 3 - двигатель, отвечающий за поворот вокруг оси z.
Источники
http://altenergiya. ru/sun/kto-i-kak-proizvodit-solnechnye-paneli. html https://nplus1.ru/news/2016/03/04/CdTe-solar http://greenevolution. ru/enc/wiki/solnechnaya-batareya/ http:///articles/solnechnyie-batarei-kak-eto-rabotaet/ http://solar-power-system. ru/news/ID_13.html