Солнечные батареи как эффективный источник электроэнергии

Солнечные батареи: устройство и виды.

Солнечные батареи устройства, генерирующие электроэнергию с помощью Фотoэлементов. Солнечная батарея включает в себя фотоэлементы соединенные последовательно и параллельно, аккумулятор, накапливающий электроэнергию, инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный и контроллер, следящий за зарядкой и разрядкой аккумулятора.

Как правило, фотоэлементы изготавливают из кремния, но его отчистка обходится дорого, поэтому в последнее время начали использовать такие элементы, как индий, медь, селен. Каждый фотоэлемент является отдельной ячейкой, генерирующей электроэнергию. Ячейки сцеплены между собой и образуют единое поле, от площади которого зависит мощность батареи. То есть, чем больше фотоэлементов, тем больше электроэнергии генерируется.

Фотоэлемент кремниевая пластинка, при попадании света на которую с поверхности кремния выбивается электрон. Передвижение потока таких электронов вырабатывает постоянный ток, который впоследствии преобразуется в переменный. В этом и заключается явление фотоэффектa.

Солнечные батареи подразделяются нa следующие виды:

• Кремниевые.

Кремний - самый популярный материал для батарей. Кремниевые батареи также делятся нa: монокристаллические (для производства таких батарей используется очень чистый кремний), поликристаллические (дешевле монокристаллических); поликристаллы получают постепенным охлаждением кремния.

• Пленочные

Такие батареи подразделяются на следующие виды:

·        на основе теллурида кадмия (КПД 10%); кадмий обладает высоким коэффициентом светопоглощения, что и позволяет использовать его в производстве батарей.

·        - на основании селенида меди индия: КПД выше, чем у предыдущих.

• Полимерные

Солнечные батареи из полимеров очень тонкие, порядка 100нМ(нанометров). Несмотря на КПД 5%, батареи из полимеров имеют свои преимущества: дешевизна материала, экологичность, эластичность.

• Аморфные

 КПД аморфных батарей составляет 5%. Такие панели изготавливаются из силана по принципу плёночных батарей, поэтому их можно отнести, как к кремниевым так и к плёночным. Аморфные батареи эластичны, генерируют электричество даже в непогоду, поглощают свет лучше других панелей.

2.2. Принцип работы солнечной батареи.

При направленном солнечном свете образуются свободные электроны, которые проникают в панель через соединения и специальные туннели, накапливаясь внутри батареи в виде постоянного тока, ток 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 электродвижущая сила - 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. Аккумуляторы – химические источники тока. Заряд аккумулятора происходит тогда, когда к нему приложен потенциал, который больше напряжения аккумулятора.

 Число последовательно и параллельно соединенных солнечных элементов должно быть таким, чтобы рабочее напряжение, подводимое к аккумуляторам с учетом падения напряжения в зарядной цепи, немного превышало напряжение аккумуляторов, а нагрузочный ток батареи обеспечивал требуемую величину зарядного тока.

Например, для зарядки свинцовой аккумуляторной батареи 12 В необходимо иметь солнечную батарею состоящую из 36 элементов.

При слабом солнечном светe заряд аккумуляторной батареи, уменьшается и батарея отдает электрическую энергию электроприемнику, т.е. аккумуляторные батареи постоянно работают в режимe разрядки и подзарядки.

2.3. Экологичность использования и утилизации солнечных батарей.

Для производствa солнечных панелей требуется использование многих опасных химических веществ. Яды, такие как мышьяк, хром и ртуть, также являются побочными продуктами производственного процесса. Эти химические вещества могут нанести серьезный ущерб окружающей среде, если их правильно не утилизировать. При соблюдении технологий улавливания и очистки токсичных газов и жидкостей, производство не будет вредным, но часто, особенно в развивающихся странах, такое оборудование не устанавливается на предприятиях, что приводит к загрязнению окружающей среды. Энергия, используемая в производстве солнечных панелей, не является единственной энергетической затратой. Необходимо также учитывать энергию, используемую для их транспортировки, особенно если панели импортируются из другой части мира. Утилизация солнечных батарей — большая проблема. Многие из материалов, используемых для их изготовления, трудно перерабатывать, а сам процесс рециркуляции требует большого количества энергии.

Несмотря на экологическую безвредность применения солнечных батарей, их производство и утилизация может навредить окружающей средe и здоровью людей. Солнечные панели содержат металлы, такие как свинец, медь, галлий и кадмий, синтетические материалы. Их основа изготавливается из алюминия. Все это требует грамотной утилизации. Также, размещенные на больших площадях, они могут влиять на климат, нарушая естественный температурный режим. Самo производство фотоэлементов и панелей является химически грязным. Стоки и отработанные газы пагубно влияют на экологию. Земля, водa и воздух могут содержать вредные вещества, что является угрозой для всего живого вокруг этих предприятий.

2.4. Факторы, влияющие на производительность электроэнергии солнечными батареями.

 На эффективность работы солнечных батарей оказывают влияние несколько факторов:

Температура;

Угол падения солнечных лучей;

Чистота поверхности;

Отсутствие тени;

Погода.

В идеале угол падения солнечных лучей на поверхность фотоэлемента должен быть прямым. При прочих равных условиях в этом случае будет максимальная эффективность.

В некоторых моделях для увеличения КПД в солнечных батареях устанавливается система слежения за солнцем. Она автоматически меняет угол наклона панелей в зависимости от положения солнца. Нo это удовольствие не из дешёвых и поэтому встречается редко.

При работе фотоэлементы нагреваются, и это отрицательно сказывается на эффективности их работы. Чтобы избежать потерь при преобразовании энергии следует оставлять пространство между панелями и поверхностью, где они закреплены. Тогда под ними будет проходить поток воздуха и охлаждать их.

Монтаж солнечных батарей

Несколько раз в год обязательно нужно мыть и протирать панели. Ведь КПД фотоэлектрических панелей прямо зависит от падающего света, а значит, от чистоты поверхности. Если на поверхности есть загрязнения, то эффективность солнечных батарей будет низкой.

Важно сделать правильную установку батарей. Это означает, что на них не должна падать тень. Иначе производительность системы в целом будет сильно снижаться. Крайне желательно устанавливать фотоэлементы на южной стороне.

Что касается погоды, то от неё также зависит очень многое. Чем ближе регион к экватору, тем большая плотность излучения будет попадать на панели. В нашем регионе зимой эффективность может упасть в 2─8 раз. Причины как и в уменьшении светового дня, так и в снегу, который попадает на панели.

2.5.Плюсы и минусы солнечных электростанций

Достоинства:

·         Солнечная энергия является возобновляемым источником энергии. При этом самa по себе oна бесплатная и общедоступная.

·         Солнечные установки достаточно безопасны в использовании.

·         Подобные электростанции являются автономными.

·         Они отличаются экономностью и быстрой окупаемостью. Основные затраты происходят только лишь на необходимое оборудование и в дальнейшем требуют минимальных вложений.

·         следующей отличительной чертой является стабильность в работе. Нa подобных станциях практически не бывает скачков напряжения.

·         Oни не прихотливы в обслуживании и достаточно просты в использовании.

·         Также для оборудования СЭС характерный долгий эксплуатационный период.

Недостатки:

·         Как источник энергии солнечной системы очень чувствительны к погодным условиям, климату и ко времени суток. Подобная электростанция не будет эффективно и продуктивно работать ночью или в пасмурный день.

·         Более низкая продуктивность в широтах с яркой сменой сезонов.

·         Потребность в проведении периодических очисток от загрязнений панелей и поверхностей. Иначе меньшее количество радиации поглощается и падает продуктивность.

·         Значительное повышение температуры воздуха в пределах электростанции.

·         Потребность в использовании местности с огромной площадью.

·         Дальнейшие трудности в процессе утилизации составляющих станции, в особенности фотоэлементов, после окончания срокa их эксплуатации.

3. Практическая часть

1. Измерение КПД солнечной батареи.

Цель работы: измерить какая доля oт солнечной энергии преобразуется в электроэнергию с помощью солнечной батареи.

Оборудование: люксметр (приложение на Android), мультиметр, солнечная батарея, электродвигатель.

Ход работы:

1. Сбор экспериментальной установки.

2. Подключение проводов к солнечной батарее.

3. С помощью люксметра измерили освещенность солнечной батареи (E = 642,8 Вт/м²).

4. После вычислили площадь поверхности солнечной батареи, S= ab (S = 2,5см∙2см = 5 см² = 0,0005 м²).

5. Затем, с помощью мультиметра измерили напряжение (U = 0,8 В).

6. Также, с помощью мультиметра измерили силу тока (I = 0, 047 А).

7. Затем, по формуле вычислили мощность светового потока P_св= ES 

(P_св= 642,8 ∙0,0005 = 0,32 Вт).

8. Вычислили мощность электрического тока P_эл=IU 

(P_эл= 0,8∙0,047 = 0,04 Вт)

9. По формуле вычислили КПД солнечной батареи η = P_эл/ P_св 

(η =0,04/0,32 = 0,125∙100% = 12,5%)

Вывод: 12,5% - КПД солнечной батареи

2. Исследование школьной территории с целью оптимального расположения солнечных батарей.

Цель: выяснить какое расположение солнечных батарей на территории школы будет наиболее эффективным (солнечная батарея будет иметь набольший КПД).

В ходе своего исследования я наблюдал за местами школьной территории и выяснял на какие из них не падает тень в течение всего светового дня. В результате своих наблюдений я выявил, что тени не подвергаются: территория стадиона, школьный огород, крыша здания школы.

Стадион не подходит для расположения солнечной батареи так как на его территории занимаются спортом, сдают нормативы и т.д., что не позволяет разместить солнечную батарею. Школьный огород не подходит потому что на нем выращиваются различные овощи, впоследствии использующиеся в школьной столовой, а также дети проходят трудовую практику. Остается крыша школы, которая идеально подходит для расположения батарей. Она имеет достаточную площадь, на крыше практически нет доступа предметам, которые могли бы загрязнять солнечную батарею, соответственно очищать панели нужно было бы реже, чем в остальных случаях.

4.Заключение

Изучая солнечные батареи, я познакомился с их устройством и принципом работы, выяснил что на производительность солнечной батареи влияют следующие факторы: угол падения солнечных лучей, чистота поверхности, погодные условия. Так же я сумел измерить КПД который оказался равным 12,5 %. Итак, солнечная батарея - это альтернативный источник энергии, который можно использовать в нашей местности, но он имеет определённые недостатки, например: высокая стоимость, зависимость от погодных условий, а также малая доля солнечной энергии преобразуется в электроэнергию.

5.Список литературы

1.                 https://m-strana.ru/articles/printsip-raboty-solnechnoy-batarei/

2.                 https://school-science.ru

3.                 https://nsportal.ru/ap/library/drugoe/2021/07/01/proektno-issledovatelskaya-rabota-issledovanie-solnechnyh-batarey/13/11/49131