исследовательская работа по физике. Солнечная батарея
 Скачать 0.73 Mb.
|
|
МБОУ Наро-Фоминская сош 5 СУИОП Исследовательская работа по физике Тема: «Солнечная батарея» Выполнил: Зиновьев Дмитрий Сергеевич ученик 10« А» класса г. Наро-Фоминск 2022 Оглавление Введение………………………………………………… Глава 1: Основная часть 1. История создания солнечной батареи 2.устройство. Принцип действия 3.Применение 4.Экологическая польза 5.Достоинства и недостатки солнечных батарей 6.Заключение 7.Интернет-ресурсы Глава 2 :Практическая часть 1.Цель 2.Приборы и материалы 3.Ход работы 4.Вывод Введение Современный мир – это мир электроприборов и самых новых гаджетов. Год за годом потребление электроэнергии увеличивается, а природных ресурсов становится все меньше и меньше. Если потребности человека будут все также возрастать, то скоро не останется таких источников энергоресурсов как нефть, газ, каменный уголь. К тому же с каждым годом численность людей на нашей планете увеличивается. Это также приводит к увеличению энергопотребления. И что же тогда нам делать? Стоит поискать другие источники энергии. Одним из таких источников могут быть солнечные батареи. Цель работы: изучение и использование солнечной батареи. Задачи: 1. Изучить и найти любые ресурсы по солнечным батареям. 2. Обобщить, проанализировать и систематизировать найденную информацию. 3. Провести опыт с использованием солнечной батареи. 4. Сделать выводы. 5. Подготовить презентацию и доклад на выбранную тему. Глава 1: Основная часть 1.История создания солнечной батареи История создания солнечных батарей началась еще в 19 веке. Причиной служили постоянно проводимые исследования в области преобразования солнечной энергии в электрическую. В 1839 году Антуан-Сезар Беккерель представил созданную им химическую батарею, которая под воздействием солнца вырабатывала электричество. Первая солнечная батарея имела КПД всего 1%. То есть только один процент солнечного света был преобразован в электричество. В 1873 году Уиллоуби Смит обнаружил чувствительность селена к свету. Чарльз Фриттс в 1880 году использовал покрытый золотом селен для производства первого солнечного элемента, который также имел эффективность 1%. Тем не менее, Фриттс считал свои солнечные элементы революционными. Он рассматривал возможность использования бесплатной солнечной энергии как средство диверсификации поставок энергии, предсказывая, что производимые солнечные батареи вскоре заменят существующие электростанции. С объяснением в 1905 году Альбертом Эйнштейном фотоэффекта появились надежды на создание солнечных батарей с более высоким КПД, но прогресс оказался незначительным. В 1954 году Гордон Пирсон, Дэррил Чапин и Кэл Фуллер произвели кремниевый солнечный элемент, имеющий КПД 4%. В дальнейшем эффективность ячейки была повышена до 15%. Солнечные батареи были впервые использованы в сельских районах и отдаленных городах в качестве источника питания для системы телефонной связи, где они успешно использовались на протяжении многих лет.  2. Устройство. Принцип действия 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. 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 количества.  Солнечные батареи разделяются на такие разновидности: Кремниевые: монокристаллические, поликристаллические, аморфные Теллурий-кадмиевые На основе селенида индия- меди-галлия Полимерные Органические На основе арсенида галлия Комбинированные и многослойные 3. Применение Сложно представить сферу, где сейчас не использовались бы солнечные батареи. Некоторые из них очевидны и внедрены уже давно, некоторые же выглядят как кадры из фильмов о далеком будущем и не до конца вкладываются в головы обычных обывателей. Космонавтика. Космические спутники и космические станции с синими крыльями – это не что иное, как солнечные панели, которые позволяют данным устройствам бесперебойно выполнять свои функции в космосе. Промышленность. Использование солнечных батарей на крышах зданий и на пустых площадях – оптимальный и экологичный способ обеспечить предприятие необходимой электроэнергией, а также продать ее излишки в сеть. Полученные средства вкладываются в производство, чем увеличивает обороты продукции и прибыли. Самолеты. Благодаря использованию солнечных батарей в самолетостроении, они могут достаточно долго находится в воздухе и не использовать топливо. На данный момент изобретен самолет, который полностью состоит из солнечных батарей. Он уже совершил кругосветное путешествие, проведя в воздухе 510 часов. Владельцы яхт и катеров также активно используют на своих суднах солнечные батареи. Ведь они позволяют не только обеспечить потребности самого корабля, но и произвести электроэнергию для освещения и нужд команды. Автомобили. Работа двигателя обеспечивается за счет солнечных генераторов. Делая таким образом автомобиль не только экологически чистым, но и работоспособным на 130 км. Солнечные батареи для дома – уже обычная практика. Данный вариант может решить сразу несколько проблем: обеспечить электроэнергией дом, забыть про перебои в подаче электричества, заработать средства, продавая остатки электроэнергии в сеть по «зеленому тарифу». Солнечные батареи для дачи незаменимы в тех местах, где линий электропередач просто нет. Так как солнце светит везде, вы можете построить себе дачный домик хоть на необитаемом острове. Обеспечить его электричеством теперь не будет проблемой. Солнечные батареи в быту. Калькуляторы, фонарики, мобильные телефоны, а также внешние аккумуляторы. Все это и многое другое работает на солнечных панелях либо накапливает из них энергию. Туризм. Солнечные панели встраиваются в сумки, рюкзаки, палатки, чтобы обеспечить работу всего, что нужно в походе, в далеке от дома и цивилизации. Пчеловодство. Так как пассики также часто находятся в отдаленных местах, применение солнечных батарей в этой сфере крайне необходимо. Ведь накапливаемая в аккумуляторы энергия позволяет пользоваться электрической медогонкой, электроножом для распечатывания сот, также обеспечивать нужды пчеловодов. Еще одним важным преимуществом солнечных батарей является тишина при работе, которую так любят пчелы. Маяки. Отдаленность столь необходимых объектов - главная проблема в вопросе их энергообеспечения. Но солнце светит везде, поэтому солнечные батареи и здесь приходят в помощь. Поезда. Данный вид транспорта также не брезгует использовать солнечные батареи. Чего только стоит сверхскоростной Hyperloop изобретателя Илона Маска, который планирует запустить свой поезд, используя энергию солнца. Солнечные печи и солнечные барбекю – отличный вариант для тех, кто любит устроить пикник в глухом лесу, где нет электричества. Такой вид устройств работает без дыма, поэтому поджарить мясо и овощи можно даже дома на балконе. Уличные фонари, рекламные щиты, остановки, велодорожки, лавочки и тротуары могут работать за счет энергии солнца и даже заряжать смартфоны и электрокары. В детские игрушки тоже встраивают солнечные панели маленьких размеров. Такое новшество позволяет бесконечно работать самой игрушке, а также уберечь нервы родителей, которые боятся, что дети могут проглотить обычные батарейки. Холодильники для вакцин на солнечных батареях – отличный вариант для доставки медикаментов в труднодоступные места нашей планеты. Применение альтернативной энергии в сфере здравоохранения уже спасло жизни тысячам людей. Жители квартир также могут оценить преимущества использования солнечных батарей. Их можно установить на балконе либо на крыше самой многоэтажки. Таким образом, можно забыть про коммунальные службы и быть абсолютно автономным домом. Одежда. Например, бренд одежды Tommy Hilfiger выпустил женскую куртку на солнечных батареях, которые соединены с аккумулятором. Он может заряжать сразу два устройства. А так же многие другие бренды одежды используют солнечные батареи для обеспечения комфорта покупателям. Лифт на солнечной энергии также может работать. Ведь, если установить солнечные батареи на крыше дома, то вырабатываемой ими энергии хватит даже для таких нужд. Солнечные окна – уже тоже реальность. Такие окна не искажают вид и не препятствуют проникновению света. Разработчики данного ноу-хау утверждают, что такие окна создают в 50 раз больше энергии, чем обычные солнечные панели. Парусные дроны на солнечных батареях. Они могут отследить погоду, океанские течения и влияние изменений климата на океан. 4.Экологическая польза Есть много разных причин, из которых следует вывод, что солнечная энергия очень экологична. Она дает экономию за счет снижения ваших счетов за электроэнергию. Некоторым людям просто нравится идея заботиться об окружающей среде и быть более энергонезависимыми. Им нравится, что не нужно так сильно зависеть от сети для своих энергетических потребностей. Вот несколько плюсов солнечных батарей для окружающей среды: 1.Снижают загрязнение воздуха Смог, грязный воздух, вреден для окружающей среды, вреден для нашего здоровья и вреден для эстетики. Когда загрязняющие вещества попадают в воздух, все становится только хуже. Солнечные батареи помогают избавиться от загрязнения воздуха. 2.Уменьшают расход воды Если источник энергии не использует ископаемое топливо для собственного производства, он, вероятно, использует воду в качестве своего ресурса. И гидроэнергетика, и атомная энергия используют много воды для производства электроэнергии. Часто требуется построить плотину, чтобы контролировать поток воды и производство электроэнергии. Что касается плотин, существует проблема, заключающаяся в том, что перекрытие воды будет иметь значительное влияние на местную экосистему. Солнечные панели создают энергию без воды и негативного воздействия на экосистему. 3.Снижают зависимость от невозобновляемых источников энергии Солнечная энергия также может помочь снизить зависимость от невозобновляемых источников энергии, таких как ископаемое топливо. Чем раньше мы сможем перейти на возобновляемые источники энергии, тем лучше как для окружающей среды, так и для нашего вида. 4.Помогают бороться с изменением климата И последнее, но не менее важное, это проблема изменения климата. Постоянный выброс загрязняющих веществ и дополнительного количества CO2 в воздух обходится нашей планете. Из-за этого окружающей среде становится все труднее и труднее очищать воздух. Таким образом, солнечная энергия – это один из способов предотвратить последствия изменения климата. Уменьшая выбросы CO2 и выбрасывая в воздух меньше загрязняющих веществ, мы все можем внести свой вклад в замедление климатических изменений. 5.Достоинства и недостатки солнечных батарей Достоинства солнечных батарей: Автономность. Позволяют обеспечить электроэнергией удаленные здания или светильники и работу мобильных устройств в походных условиях. Экономичность. Для выработки электроэнергии используется свет солнца, за который не нужно платить. Поэтому ФЭС (фотоэлектрические системы) окупаются за 10 лет, что меньше срока службы, составляющего более 30.  Недостатки солнечных батарей: Высокая стоимость и длительный период окупаемости (до 10 лет). Невысокий КПД. Низкая энергоэффективность в пасмурную погоду и ночью. Неравномерная выработка электричества, которая зависит от освещенности и погоды.  6.Заключение Как мне кажется, большинство возможностей солнечных батарей ещё не до конца оценены миром. Не далеко те времена, когда солнечные батареи будут вырабатывать электричество абсолютно везде. Они будут обеспечивать солнечной энергией города и страны. Однако, необходимо отметить то, что широкое распространение солнечные батареи получат только в тех регионах, где очень часто светит солнце. В условиях повышенной облачности и в пасмурную погоду, эффективность работы солнечных батарей снижается во много раз. Но, я думаю, эти проблемы будут решены в ближайшем будущем. Ученые, применяя все более совершенные материалы и технологии, будут способны увеличить КПД солнечных батарей! Я считаю, что за технологией солнечных батарей стоит большое будущее! 7. Интернет ресурсы 1. https://ru.wikipedia.org/wiki/ 2. https://znanija.com/ 3. https://infourok.ru/ Глава 2: практическая часть Исследование зависимости показателей батареи от освещенности Чтобы понять, в каком направлении двигаться дальше, нужно провести опыт, из которого мы узнаем, как солнечная батарея реагирует на изменение освещенности на ее поверхности. Цель: узнать зависимость напряжения солнечной батареи от освещенности Оборудование: Солнечная батарея, Люксметр, Лампа, Вольтметр. Сбор установки: На плоской поверхности фиксируется солнечная батарея и люксметр. К батарее подключается вольтметр. Лампа установлена над поверхностью с батареей и люксметром под прямым углом. Проведение  После проведения опыта, в таблицу записываем полученные значения напряжения солнечной батареи и освещенности. На основе занесенных в таблицу значений был построен график:  Проанализировав результаты опыта, становится понятно, что чем выше освещенность, тем больше напряжение, выдаваемое солнечной батареей. В результате исследования, мы можем сделать вывод, что характеристики солнечной батареи напрямую зависят от внешних факторов, одним из которых является освещенность. Следовательно, при установке солнечных батарей при наибольшей освещенности они вырабатывают больше всего электроэнергии, и наоборот, вырабатывают ее меньше, если освещенность ниже. |