Солнечная батарея
МОУ «Лицей №43»
Естественно- технический
РЕФЕРАТ
Солнечная батареяСаранск
2010
1. Получение электроэнергии с помощью фотоэлементов.
2. Преобразование солнечной энергии в электричество с помощью тепловых машин:
3. паровые машины (поршневые или турбинные), использующие водяной пар, углекислый газ, пропан-бутан, фреоны;
4. двигатель Стирлинга и т. д.
5. гелиотермальная энергетика — Нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи, и последующее распределение и использование тепла (фокусирование солнечного излучения на сосуде с водой для последующего использования нагретой воды в отоплении или в паровых электрогенераторах).
6. Термовоздушные электростанции (преобразование солнечной энергии в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор).
7. Солнечные аэростатные электростанции (генерация водяного пара внутри баллона аэростата за счет нагрева солнечным излучением поверхности аэростата, покрытой селективно-поглощающим покрытием). Преимущество — запаса пара в баллоне достаточно для работы электростанции в темное время суток и в ненастную погоду. (10)
Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Столетов в конце XIX века.
Фотоэлемент на основе поликристаллического кремния
Физический принцип работы фотоэлемента
Преобразование энергии в ФЭП основано на фотоэлектрическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения.
Неоднородность структуры ФЭП может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p-n переходов) или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны - энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов.
Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП , среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость. Она обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.
Основные необратимые потери энергии в ФЭП связаны с:
· отражением солнечного излучения от поверхности преобразователя,
· прохождением части излучения через ФЭП без поглощения в нём,
· рассеянием на тепловых колебаниях решётки избыточной энергии фотонов,
· рекомбинацией образовавшихся фото-пар на поверхностях и в объёме ФЭП,
· внутренним сопротивлением преобразователя,
· и некоторыми другими физическими процессами.
Для уменьшения всех видов потерь энергии в ФЭП разрабатываются, и успешно применяется различные мероприятия. К их числу относятся:
· использование полупроводников с оптимальной для солнечного излучения шириной запрещённой зоны;
· направленное улучшение свойств полупроводниковой структуры путём её оптимального легирования и создания встроенных электрических полей;
· переход от гомогенных к гетерогенным и варизонным полупроводниковым структурам;
· оптимизация конструктивных параметров ФЭП (глубины залегания p-n перехода, толщины базового слоя, частоты контактной сетки и др.);
· применение многофункциональных оптических покрытий, обеспечивающих просветление, терморегулирование и защиту ФЭП от космической радиации;
· разработка ФЭП, прозрачных в длинноволновой области солнечного спектра за краем основной полосы поглощения;
· создание каскадных ФЭП из специально подобранных по ширине запрещённой зоны полупроводников, позволяющих преобразовывать в каждом каскаде излучение, прошедшее через предыдущий каскад, и пр.;
Также существенного повышения КПД ФЭП удалось добиться за счёт создания преобразователей с двухсторонней чувствительностью (до +80 % к уже имеющемуся КПД одной стороны), применения люминесцентно переизлучающих структур, предварительного разложения солнечного спектра на две или более спектральные области с помощью многослойных плёночных светоделителей (дихроичных зеркал) с последующим преобразованием каждого участка спектра отдельным ФЭП и т. д. (13)
Фотоэлектрический эффект - явление испускания электронов веществом под действием света. Было открыто в 1887 Г.Герцем, обнаружившим, что искровой разряд в воздушном промежутке легче возникает при наличии поблизости другого искрового разряда. Герц экспериментально показал, что это связано с ультрафиолетовым излучением второго разряда. В 1889 Дж.Томсон и Ф.Ленард установили, что при освещении поверхности металла в откачанном сосуде она испускает электроны. Продолжая эти исследования, Ленард продемонстрировал в 1902, что число электронов, вылетающих в 1 с с поверхности металла, пропорционально интенсивности света, тогда как их энергия зависит лишь от световой длины волны, т.е. цвета. Оба эти факта противоречили выводам теории Максвелла о механизме испускания и поглощения света. Согласно этой теории, интенсивность света служит мерой его энергии и, конечно, должна влиять на энергию испускаемых электронов. (14)
При определенных условиях фотоэффект возможен в газах и атомных ядрах, из которых фотоны с достаточно высокой энергией могут выбивать протоны и рождать мезоны. Фотоэлектрические свойства поверхности металла широко используются для управления электрическим током посредством светового пучка, при воспроизведении звука со звуковой дорожки кинопленки, а также в многочисленных приборах контроля, счета и сортировки. Фотоэлементы находят применение также в светотехнике. (15)
Фотоэлектрические установки. (16)
Модули солнечные (фотоэлектрические) (17)
Солнечные батареи
В наше время тема развития альтернативных способов получения энергии как нельзя более актуальна. Традиционные источники стремительно иссякают и уже через каких-нибудь пятьдесят лет могут быть исчерпаны. И уже сейчас энергетические ресурсы довольно дороги и в значительной мере влияют на экономику многих государств.
Всё это заставляет жителей нашей планеты искать новые способы получения энергии. И одним из наиболее перспективных направлений является получение солнечной энергии. И это вполне естественно. Ведь именно Солнце даёт жизнь нашей планете и обеспечивает нас теплом и светом. Солнце обогревает все уголки Земли, управляет реками и ветром. Его лучи выращивают не менее одного квадриллиона тонн всевозможных растений, которые, в свою очередь, являются пищей для животных.
Таким образом, мы уже используем солнечную энергию в своих нуждах и все традиционные источники энергии (нефть, уголь, торф) появились на земном шаре благодаря Солнцу.
Человек с самых древних времён учился пользоваться дарами Солнца. Даже простой костёр, который согревал наших предков тысячи лет назад и продолжает это делать теперь, является по сути дела использованием солнечной энергии, которую накопила древесина. Но Солнце способно удовлетворять и более масштабные потребности человека. По подсчётам учёных, человечество нуждается в десяти миллиардах тонн топлива.
Если высчитать количество таких условных тонн, которые предоставляются Солнцем в течение года, мы получим фантастическую сумму – около ста триллионов тонн. Таким образом, люди получают 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 стало такое устройство как солнечная батарея.(21)
Сырье, или из чего делают солнечные батареи
Затронем проблему сырья. Ученые заявляют, что кремний (основной ресурс для производства большинства типов солнечных батарей) - второй по распространенности элемент на нашей планете. На кремний приходится более четверти общей массы земной коры, но на какой кремний? Дело в том, что в большинстве случаев это вещество встречается в виде окиси - SiO2 (припоминаете песок из детской песочницы?), а вот добыть чистый силициум (Silicium так химики называют кремний) из этого соединения сложно, даже проблематично. Здесь имеют место стоимостные факторы, особенности технологий. Интересно отметить, что себестоимость чистого «солнечного» кремния равна себестоимости урана для АЭС, вот только запасов кремния на нашей планете в 100 тысяч раз больше.
По причине дороговизны кремния, отражающейся на розничной цене солнечных элементов, исследовательские центры на протяжении многих лет работают над поиском достойной альтернативы. К примеру, немецкие ученые Института Физической электроники в Штутгарте предложили использовать вместо кремния синтетические волокна, способные под воздействием света генерировать электрический ток. Новые разработки хоть и не могут похвастаться высокими показателями КПД, но они дешевы и подходят для питания маломощных цифровых устройств. Рубашка из «синтетической» ткани может обеспечить энергией карманный ПК, мобильный телефон или MP3-плеер. Подумать только, а если мореплавателям попробовать сшить парус из такого вот полотна? На обеспечение энергией бортовой электроники уж точно хватит.
Сегодня, в эпоху нанотехнологий, когда человек с легкостью завоевывает микромир, научные вклады инженеров могут в несколько раз ускорить процесс развития «солнечной» отрасли. Ярким примером тому может послужить заявление сотрудников норвежской компании Scatec AS. Ученые уверены, что панели, изготовленные с применением нанотехнологий, позволят снизить стоимость солнечной энергии по сравнению с распространенными сейчас фотогальваническими ячейками в 2 раза. (20)
Типы солнечных элементов
Монокристаллический кремний
Наиболее эффективными и распространенными для широкого потребления являются монокристаллические кремниевые элементы. Для изготовления таких элементов кремний очищается, плавится и кристаллизуется в слитках, от которых отрезают тонкие слои. Внешне монокристаллические элементы выглядят как однотонная поверхность темно-синего или почти черного цвета. Сквозь кремний проходит сетка из металлических электродов. Эффективность такого элемента составляет от 16 до 19% в стандартных условиях тестирования (прямой солнечный свет, +250С).
Срок службы таких панелей у хороших производителей составляет обычно 40-50 лет. Производительность за каждые 20-25 лет службы постепенно снижается примерно на 20%.
Поликристаллический кремний
Технология принципиально не отличается от монокристаллических элементов, но разница состоит в том, что для изготовления используется менее чистый и более дешевый кремний. Внешне это уже не однотонная поверхность, а узор из границ множества кристаллов. Эффективность такого элемента составляет от 14 до 15%. Тем не менее эти панели пользуются примерно такой же популярностью на рынке, что и монокристаллические, поскольку пропорционально эффективности снижается цена производства.
В России перспективнее все же использовать монокристаллические панели, поскольку при неразвитости собственного производства и больших расстояниях целесообразнее ввозить и транспортировать более эффективные панели.
Ленточный кремний
Принципиально такой же как и предыдущие типы, отличается лишь тем, что кремний не нарезается от кристалла, а наращивается тонким слоем в виде ленты. Антибликовое покрытие дает радужную окраску таким панелям. Эта технология не смогла завоевать рынок, занимая на нем лишь около 2%. В Росси почти не встречается.
Аморфный кремний
В этом типе используются не кристаллы, а тончайшие слои кремния, напыленные в вакууме на пластик, стекло или металл. Этот тип является наиболее дешевым в производстве, но обладает серьезным недостатком. Слои кремния выгорают на свету значительно быстрее, чем у предыдущих типов. Снижение производительности на 20% может произойти уже через два месяца. Очень часто в России привлеченные низкой ценой люди приобретают такие панели и потом разочаровываются, поскольку уже через год-два такой элемент перестает давать энергию.
Распознать такую панель на вид можно по более блеклому сероватому или темному цвету непонятных оттенков. На данном этапе развития этой технологии, применение таких панелей в России не рекомендуется.
Теллурий кадмия
Этот тип тонкослойных солнечных элементов обладает потенциально большей эффективностью и в качестве проводящего компонента использует оксид олова. Эффективность составляет 8-11%. По себестоимости эти элементы не намного дешевле моно- и поли- кристаллических кремниевых и обладают проблемой использования токсичного кадмия. Сейчас этот тип элементов занимает менее 5% общего рынка. Допуск таких панелей в Россию нежелателен в первую очередь из-за отечественного неумения, обращаться с потенциально токсичной продукцией.
Другие элементы
Помимо вышеперечисленных есть еще много различных солнечных элементов, не получивших большого распространения. Потенциально перспективными являются медно-галлиевые, концентрирующие, композитные и некоторые другие элементы.
Где производят солнечные панели?
Производство солнечных панелей растет бешеными темпами, стараясь поспеть за стремительно растущим спросом. Причем одновременно растет спрос и для промышленных электростанций и для бытового потребления.
Лидером в производстве солнечных панелей является Китай. Здесь производят почти треть (29%) от общемировой продукции. При этом большая часть уходит на экспорт - в США и Европу. Примечательно, что американцы, являясь крупнейшим потребителем, производят лишь 6% от всех солнечных панелей, предпочитая инвестировать в перспективные крупные заводы в Китае.
Ненамного от Китая отстают Япония и Германия, которые производят соответственно 22% и 20% от общемировой продукции. Еще одним лидером является Тайвань - 11% рынка. Все остальные страны производят значительно меньшее количество солнечных панелей.
К сожалению, на этом фоне Россия выглядит очень бледно. Наши государственные деятели пока ограничиваются лишь громкими заявлениями. А производство солнечных фотоэлектрических панелей до сих пор находится в зачаточном состоянии. Практически нет серьезных государственных инициатив и не созданы условий для частных инвесторов.(18)
Солнечный коллектор
Эти устройства сегодня представляют собой наиболее распространённый тип солнечных преобразователей. Работа устройства осуществляется при температуре от ста до двухсот градусов.
Говорить о применении этих установок можно бесконечно.
Уже в наши дни солнечные коллекторы выполняют огромный диапазон работы. При помощи коллекторов подогревают еду, избавляют от соли, добывают воду из колодцев.
Посредством концентрированной солнечной энергии можно сушить овощи или фрукты, а также замораживают продукты.
Следует сказать, что главное преимущество использования теплового солнечного преобразователя заключается в обеспечении высокого КПД.
Так, последние разработки позволяют говорить о сорока пяти и даже шестидесяти процентах. Кстати, уровень эффективности тепловых гелиоприёмников можно повысить путём их дополнения специальными зеркальными поверхностями.
Главная функция такой поверхности – концентрировать поступающее излучение. Если рассматривать эти устройства как средство обеспечения энергией жилого дома, то наиболее практичными обещают быть так называемые фоконы.
Речь идёт о плоских солнечных элементах с линейными концентраторами. Это приспособление представлено в виде V-образной формы. Кстати, прибор может быть не только плоским, но и параболоидным.
Конечно, такая усовершенствованная конструкция обойдётся потребителю гораздо дороже, но и эффект будет соответствующим.
Для домашних нужд прекрасно подойдёт коллектор, выполняющий роль водонагревателя. В состав конструкции входят коробка со змеевиком, бак с холодной водой, бак-аккумулятор и трубы.
Главное – правильно установить коробку. Она должна находиться под углом в 30-50 градусов и быть направлена на юг. Холодная вода находится в нижней части коробки, она нагревается и вытесняется поступающей холодной водой, поступает в бак-аккумулятор.
Производительность установки в течение дня составляет около двух кВт/ч с каждого квадратного метра. Вода может нагреваться до шестидесяти или семидесяти градусов, что позволяет использовать её в самых разных целях (отопление, душ и т.д.).
Также устройство может похвастаться высоким КПД. Обычно он достигает сорока процентов. Принцип работы солнечных коллекторов во многом напоминает принцип теплиц. Такие коллекторы могут изготавливаться из разных материалов – дерева, металла, пластика.
С одной стороны они закрываются одинарным или двойным стеклом. Чтобы обеспечить полное поглощение солнечных лучей, в короб вставляют лист из металла. Как правило, этот лист окрашивается в чёрный цвет.
Коробка содержит воздух или воду, которые нагреваются и затем поступают в бак посредством действия вентилятора или насоса. (21)
Преимущества использования солнечных коллекторов
Важнейшее достоинство солнечных коллекторов — простота и относительная дешевизна их изготовления, неприхотливость в эксплуатации.
Необходимый минимум для того, чтобы сделать коллектор своими руками — это несколько метров тонкой трубы (желательно медной тонкостенной — её можно согнуть с минимальным радиусом) и немного чёрной краски, хотя бы битумного лака.
При этом змеевику легко придать форму, максимально использующую всё выделенное для коллектора место.
Единственное важное замечание — необходимо учитывать, что в жаркий солнечный день при отсутствии разбора вода может перегреться выше температуры кипения, поэтому в конструкции необходимо принять соответствующие меры предосторожности (если не закрывать трубу стеклом, то перегрева обычно можно не опасаться).
Другое, не менее важное достоинство, заключается в том, коллектор способен уловить и преобразовать в тепло более 90% попавшего на него солнечного излучения. Даже при лёгкой облачности его КПД превосходит КПД батарей других типов. (23)
Как создать солнечную батарею самому?Солнечная батарея — бытовой термин, используемый в разговорной речи или не научной прессе. Обычно под термином «солнечная батарея» подразумевается несколько объединённых фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) — полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток.
В отличие от солнечных коллекторов, производящих нагрев материала-теплоносителя, солнечная батарея производит непосредственно электричество. Хотя, для производства электричества из солнечной энергии используются и солнечные коллекторы: собранную тепловую энергию можно использовать и для вырабатывания электричества. Крупные солнечные установки, использующие высококонцентрированное солнечное излучение в качестве энергии для приведения в действие тепловых и др. машин (паровой, газотурбинной, термоэлектрической и др.), называются Гелиоэлектростанции (ГЕЭС).(8)
Лет 10 назад многие развлекались тем, что устанавливали у себя дома небольшие солнечные батарейки. С 1 кв. м. солнечной батареи можно снять до 150 Вт. Это конечно немного, но на зарядку радио хватит. Так можно ли ее сделать? Давайте попробуем:
Что понадобиться:
1. Купленные в магазине фотоэлементы или диоды.
2. Деревянная рама.
3. Терпение и умелые руки.
Инструкция:
1. Важно правильно выбрать главный элемент солнечной батареи – фотопластинки. От них зависит выходная мощность будущей солнечной батареи. Правильно выбрать их вам поможет продавец консультант в нужном вам магазине. В идеале нам будут нужны кремниевые фотоэлементы, но они очень дороги.
2. Далее нам понадобится рама, куда мы будем их вставлять. Рама должна быть диэлектрически непроницаема – то есть не проводить ток. Например, деревянная. Ее следует тщательно подготовить. Вырежьте в ней дырочки для проводов, прикиньте размеры, сколько пластинок туда влезет, придумайте, как она будет стоять и так далее.
3. Далее нам следует тщательно подключить ВСЕ пластинки к проводкам, если они еще не подключены, приклеить их к раме, продев все проводки