Физика в организме человека

ПРОЕКТ ПО ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИМ ТЕХНОЛОГИЯМ

«СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ – ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫЙ ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ»

 Автор: студент 1 курса

ГПОУ «Донецкий политехнический колледж»,

 группа ПКС-18-1, Губский Роман

Руководитель: преподаватель физики

ГПОУ «Донецкий политехнический колледж»,

Панфилова Ольга Николаевна

Донецк 2019

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Без энергии жизнь человечества немыслима. Все мы привыкли использовать в качестве источников энергии органическое топливо – уголь, газ, нефть. Однако их запасы в природе, как известно, ограничены. И рано или поздно наступит день, когда они иссякнут. На вопрос «что делать в преддверии энергетического кризиса?» уже давно найден ответ: надо искать другие источники энергии – альтернативные, нетрадиционные, возобновляемые. Всевозможные гелиоустановки используют солнечное излучение как альтернативный источник энергии. Излучение Солнца можно использовать как для нужд теплоснабжения, так и для получения электричества (используя фотоэлектрические элементы в составе солнечных батарей). Поэтому актуальна тема нашей работы: «Солнечные батареи».

Проходя сквозь атмосферу Земли, солнечное излучение теряет в энергии примерно 370 Вт/м², и до земной поверхности доходит только 1000 Вт/м² (при ясной погоде и когда Солнце находится в зените). Эта энергия может использоваться в различных естественных и искусственных процессах. Так, растения с помощью фотосинтеза перерабатывают её в химическую форму (кислород и органические соединения). Прямое нагревание солнечными лучами или преобразование энергии с помощью фотоэлементов может быть использовано для производства электроэнергии (солнечными электростанциями) или выполнения другой полезной работы. Путём фотосинтеза была в далёком прошлом получена и энергия, запасённая в нефти и других видах ископаемого топлива.

Цель работы: изучить солнечные батареи как средство преобразования солнечной энергии в электрическую.

Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи:
1. Познакомиться с принципом действия солнечных батарей.
2.Изучить область применения солнечных батарей.
3. Провести эксперименты с солнечными батареями, проанализировать полученные данные.

I. СОЛНЕЧНАЯ БАТАРЕЯ КАК ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ СОЛНЦА.

      На сегодняшний день использование солнечной энергии является одним из перспективных направлений в области альтернативной энергетики. Прекрасная реализация преобразования тепла солнечного излучения в электрическую энергию – это внедрение в бытовую жизнь человека солнечных батарей.

     Несомненно, в ближайшем будущем солнечные станции полностью вытеснят атомную и ресурсно-топливную энергетику, предоставляя потребителю экологически чистую и безопасную энергию. В бытовой сфере человека солнечные батареи используются для освещения и энергоснабжения жилых домов, коммунальных, общественных и развлекательных заведений. Кроме того, солнечные батареи внедряются в портативные устройства, даря возможность их владельцам заряжать телефоны и ноутбуки от постоянной энергии Солнца.    

     Принцип работы солнечной батареи весьма прост. Теплота солнечного излучения, поглощаясь темной панелью батареи, накапливается на аккумуляторах, изготавливаемых из полупроводниковых материалов. Затем, с помощью специальной техники, работающих на основе фотоэлементов, преобразуют тепловое излучение в электрическую энергию. Благодаря компактности и мобильности элементов солнечной батареи, появляется возможность создавать солнечные установки любых мощностей, основными преимуществами которых будет высокая эффективность, стабильность и надежность. 
     Энергия, выработанная солнечными батареями, имеет массу преимуществ, по сравнению с традиционными источниками, главные из которых: бесперебойность работы энергонезависимость и экологичность.  Все мы знаем, что Солнце встает на рассвете, а исчезает на закате дня. Именно в этот период времени и будет вырабатываться энергия для потребителя, независимо от внешних источников. Кроме того, массовое внедрение во все области жизнедеятельности энергоустановок, работающих на солнечных преобразователях, приведет к улучшению экологической обстановке нашей планеты.

      Солнечная батарея является полупроводниковым источником тока, непосредственно преобразующим энергию солнечного излучения в электрическую. Действие солнечных элементов основано на использовании явления внутреннего фотоэффекта в области p-n перехода двух полупроводников. Под действием света по обе стороны от p-n перехода растёт концентрация электронов и дырок. При этом электрическое поле в области p-n перехода перемещает электроны из полупроводника p-типа в полупроводник n-типа, а дырки – в противоположном направлении. В результате, увеличивается разность потенциалов между этими полупроводниками, и в цепи появляется ток 

При направленном солнечном свете электричество собирается в каждой точке кремниевой пластинки. Чтобы вывести ток с пластины, нужны дорожки "каналы", по ним и бежит электричество, одной маленькой пластины хватит на работу небольшого карманного фонарика. Когда пластины соединяются, мощность батареи увеличивается, чем больше батарея, тем она мощнее.

      Для увеличения выходных параметров (тока, напряжения и мощности) солнечные элементы (пластины), из которых состоит солнечная батарея, соединяются последовательно и параллельно. При последовательном соединении элементов увеличивается выходное напряжение, при параллельном – выходной ток. Для того, чтобы увеличить и ток и напряжение комбинируют два этих способа соединения. Кроме того, при таком способе соединения выход из строя одного из солнечных элементов не приводит выходу из строя всей цепочки, т.е. повышает надежность работы всей батареи.

     Таким образом, солнечная батарея состоит из параллельно-последовательно соединенных солнечных элементов. Величина максимально возможного тока отдаваемого батареей прямо пропорциональна числу параллельно включенных, а ЭДС - последовательно включенных солнечных элементов. Так комбинируя типы соединения собирают батарею с требуемыми параметрами. Оказывается, что фотоэлементы могут работать от любого источника света, не только от солнечного. Батареи укладывают на стол, подключают клеммы и подают свет. Если напряжение есть, значит цепочка из пластин собрана правильно. Осталось поместить солнечные элементы в герметичную пленку и положить под стекло, пропускающее ультрафиолет. Солнечные батареи можно установить где угодно. Солнечный свет есть всегда, даже если на улице пасмурно, батареи все равно получают энергию, пусть и не в полную силу.

Получаемая электрическая энергия накапливается в аккумуляторах, а затем отдается в нагрузку. Заряд аккумулятора происходит тогда, когда к нему приложен потенциал, который больше напряжения аккумулятора.

          Преимущества и недостатки солнечных батарей

Преимущества:

·                    Общедоступность и неисчерпаемость источника энергии

·                    Экологическая безопасность

·                    Длительный срок службы

·                    Независимость  от цен на топливо

·                    Бесшумность

·                    Генерируемая энергия фактически является бесплатной (после того, как солнечная энергосистема окупится)

·                    Модульность

Недостатки:

·                    Высокая стоимость (длительный срок окупаемости)

·                    Недостаточный КПД

·                    Зависимость от погодных условий

·                    Неприменимость для приборов, потребляющих большую мощность

·                    Использование дополнительного оборудования (аккумуляторов, инверторов и т. д.)

·                                Наличие ядовитых веществ в составе фотоэлементов (свинца, кадмия, галлия, мышьяка и т. д.) + применение токсичных веществ при их производстве → проблема утилизации

         ІІ. ЭКСПЕРИМЕНТ С СОЛНЕЧНЫМИ БАТАРЕЯМИ
1. Описание эксперимента

Целью экспериментальной части работы являлось измерить напряжение на зажимах солнечной батареи от дачного светильника при различных условиях:

·                    Меняя угол наклона батареи относительно Солнца

·                    Меняя площадь поверхности батареи

·                    Меняя высоту источника над батареей (использовался фонарик).

При работе использовался светильник для дачи фирмы «ИЗУМРУД»

2. Анализ полученных данных

      В первом опыте измерялось напряжение на зажимах солнечной батареи в зависимости от её положения относительно Солнца. На фотографиях продемонстрировано, как подключался вольтметр (мультиметр) к батарее и какое оборудование использовалось в опыте.

Положения батареи показаны на рисунке:

Показания вольтметра представлены в таблице:

Данные таблицы можно наглядно представить в виде графика зависимости напряжения от угла.

      В Интернет-источниках мы узнали положение Солнца над горизонтом в день измерений в г. Донецк ─ 5 марта 2015г – 36⁰. Заметим, что показания вольтметра были максимальны именно в тот момент, когда батарея находилась перпендикулярно лучам Солнца: 90º+36º=126º (максимальный изгиб кривой на графике при 120º). Можно сделать вывод, что ток, который может вырабатываться в солнечной батарее, будет максимален при положении 90º к Солнцу. Отсюда можно записать формулу для наиболее эффективного использования солнечной батареи. Зная положение Солнца над горизонтом в конкретное время (угол γ), нужно элемент из солнечных батарей расположить под углом  α к горизонту: α=γ+90⁰

      Во втором опыте мы меняли площадь поверхности солнечной батареи, не меняя при этом угол наклона. Батарея состоит из четырёх полос солнечных элементов. Закрывая постепенно 1, 2, 3 полосы, мы записали показания вольтметра и представили их в таблице:

По данным таблицы был построен график зависимости напряжения на вольтметра от числа открытых полос солнечной батареи.

           Из полученного графика можно сделать вывод, что увеличение поверхности солнечных батарей ведёт к увеличению напряжения, а значит и мощности, вырабатываемой солнечными батареями. График получился не в виде прямой зависимости, это может быть по причине попадания света через стекло под разными углами на закрытую часть солнечной батареи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В наше время тема развития альтернативных способов получения энергии как нельзя более актуальна. И одним из наиболее перспективных направлений является получение солнечной энергии. Люди получают от солнца количество энергии, превышающее необходимые ресурсы в десять раз. Нужно только взять это энергетическое богатство. Вот этот вопрос и является крайне актуальным для науки. Результатом многолетней работы ученых стало такое устройство как солнечная батарея.

Цель работы (изучить солнечные батареи как средство преобразования солнечной энергии в электрическую) была достигнута благодаря решению поставленных задач:

ü    Изучен состав и принцип действия солнечных батарей.

ü    Рассмотрена область применения солнечных батарей.

ü    Проведены эксперименты с солнечными батареями, полученные результаты проанализированы и представлены в виде графиков.

Скачано с www.znanio.ru