Солнечная работа

 

 

 

 

 ТУР

 

 

 

 

 

 

«EXCELSIOR - 2009»

 

 

 

 

 

 

Секция  Астрофизика и эволюция Вселенной

 

 

 

 

Использование солнечной энергии

 

 

Кошенов Батырхан

 

Средняя общеобразовательная  школа № 6, г. Шумерля, 9А класс

 

Научный руководитель: Бахтыбеков Казыбек Сулейменович

д.ф.-м.н., профессор, начальник отдела информационно-образовательного обеспечения космических технологий Института космических Исследований имени академика

У.М. Султангазина Космического Агентства Республики Казахстан

г. Астана

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г. Байконур, 2013

 

 

 

 

Оглавление

 

 

 

 

 

 

Введение---------------------------------------------------------------------------------------------------3

Виды использования солнечной энергии--------------------------------------------------------4

Электрический бутерброд – ЭЛЕМЕНТ----------------------------------------------------------4

Создатель солнечных  батарей-----------------------------------------------------------------------5

Использование в космосе-----------------------------------------------------------------------------5

 

Преимущества использования  солнечного электричества---------------------------------6

 

История солнечных электростанций-------------------------------------------------------------6

 

Производство солнечного оборудования---------------------------------------------------------7

 

КПД фотоэлементов и  модулей---------------------------------------------------------------------8

 

Экспериментальная часть---------------------------------------------------------------------------8

 

Выводы----------------------------------------------------------------------------------------------------9

 

Использованная литература------------------------------------------------------------------------10

 

Приложения----------------------------------------------------------------------------------------------11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Основополагающий  вопрос: Насколько важно использовать солнечные батареи в будущем для энергоснабжения различных объектов.

Цель работы:  Выяснить, кто и когда изобрел солнечные батареи. Выяснить, из чего изготавливают солнечные батареи, отметить сферы, в которых используются солнечные батареи.

Актуальность  темы: Одним из основных факторов, определяющих уровень развития общества, является его энерговооруженность, причем потребности человечества в энергии удваиваются каждые 10-15 лет. Потребление энергии за историю развития человечества (в расчете на одного человека) выросло более чем в 100 раз. Поэтому солнечная энергия - будущее Земли.

Способов преобразования энергии Солнца в электрическую  существует множество. Использование солнечных батарей (то есть фотоэлектрических преобразователей) - лишь один из них. Способ этот хорош, во-первых, своей мобильностью, во-вторых, - долговечностью. Солнечную батарею можно установить на крыше автомобиля и крыльях самолета. Ее можно встроить в часы, калькулятор, ноутбук и даже, как это ни парадоксально, в фонарик. В солнечном элементе отсутствуют какие-либо движущиеся части, и срок его службы составляет примерно 30 лет. За эти 30 лет элемент, на изготовление которого ушел всего 1 кг солнечного кремния, может дать столько же электроэнергии, сколько производится из 100 тонн нефти на ТЭС или из 1 кг обогащенного урана на АЭС.

Считается, что  на 3емле запасено 6 триллионов тонн различных  углеводородов. Если это так, то содержащуюся в них энергию Солнце отдает планете всего за три недели. И резервы его настолько велики, что светиться так же ярко оно сможет еще около 5 миллиардов лет. И если бы человек смог взять для своего внутреннего потребления хотя бы один процент (то есть 1 триллион тонн того самого условного топлива в год), то это бы решило многие проблемы на века вперед. И теоретически вполне понятно, как именно взять этот процент.  
    Все началось с Альберта Эйнштейна, который был удостоен в 1921 году Нобелевской премии за объяснение законов внешнего фотоэффекта. Еще в 1905 году он опубликовал работу, в которой, опираясь на гипотезу Планка, описал как именно и в каких количествах кванты света «вышибают» из металла электроны. Получить электрический ток с помощью фотоэффекта впервые удалось советским физикам в 30-е годы прошлого века. Произошло это в Физикотехническом институте, руководил которым знаменитый академик А.Ф. Иоффе. Правда, КПД тогдашних солнечных сернисто-талиевых элементов еле дотягивал до 1%, то есть в электричество обращался лишь 1% падавшей на элемент энергии, но задел был положен. В 1954 году американцы Пирсон, Фуллер и Чапин запатентовали первый элемент с приемлемым (порядка 6%) КПД. А с 1958 года кремниевые солнечные батареи стали основными источниками электричества на советских и американских космических аппаратах.  
    К середине 70-х годов КПД солнечных элементов приблизился к 10-процентной отметке и... почти на два десятилетия замер на этом рубеже. Для космических кораблей этого вполне хватало, а для наземного использования производство весьма дорогих солнечных батарей (1 кг кремния необходимого качества стоил тогда до 100 долларов) по сравнению с сжиганием дешевой нефти выглядело непозволительной роскошью. Как следствие - большинство исследований по разработке новых технологий в области солнечной энергетики было свернуто, а финансирование оставшихся сильно сокращено. В начале 90-х годов нынешний лауреат Нобелевской премии академик Жорес Алферов на собрании АН СССР заявил, что если бы на развитие альтернативной энергетики (а солнечная энергетика у нас считается одним из ее видов) было бы потрачено хотя бы 15% из тех средств, что мы вложили в энергетику атомную, то АЭС нам бы сейчас вообще были не нужны. Удалось к середине 90-х поднять КПД солнечных элементов до 15, а к началу нового века - до 20%.

Виды использования  солнечной энергии:

• Фотоэлектрические преобразователи — (ФЭП). Полупроводниковые устройства, прямо преобразующие солнечную энергию в электричество (Фотоэлементы). Несколько объединённых ФЭП называются солнечной батареей.
• Гелиоэлектростанции (ГЕЭС). Солнечные установки, использующие высококонцентрированное солнечное излучение в качестве энергии для приведения в действие тепловых и др. машин (паровой, газотурбинной, термоэлектрической и др.).
• Солнечные коллекторы (СК). Солнечные нагревательные низкотемпературные установки.
• Органические батареи. Устройства, преобразующее солнечные лучи в электричество с помощью генетически модифицированных клеток, напечатанных на тонком пластике с проводником.

 

Электрический бутерброд – ЭЛЕМЕНТ.

 По строению солнечный элемент похож на бутерброд, состоящий из двух полупроводниковых пластинок. В наружной n–пластинке - переизбыток электронов. Во внутренней р-пластинке - их недостаток. Фотон, попадая в n-пластинку, пробуждает дремлющий в ней электрон примерно так же, как луч света, попадая на лицо, пробуждает спящего человека. Электрон переходит в р-пластину - это движение и создает электрический ток. Будущее солнечной энергетики эксперты связывают с совершенствованием материалов для этих двух слоев. Наиболее перспективными сегодня представляются аморфный и микрокристаллический кремний, который выведет создание солнечных элементов на принципиально иной уровень. А в настоящее время кремниевые пластины как технология уже устаревают, из аморфного и микрокристаллического кремния можно выращивать очень тонкие пленки, толщина которых измеряется нанометрами. Две такие пленки, осажденные одна поверх другой на стекло, представляют собой фотогальванический элемент, обладающий высокой электрической проводимостью и сохраняющий свои свойства при длительном использовании. Однако технология, которая позволила бы выпускать такие солнечные элементы «на потоке», еще не создана. Как считают в Исследовательском центре города Юлих (Германия), им остался всего один шаг, чтобы вывести производство новых солнечных батарей из лабораторий в промышленность. Обычные солнечные элементы из кремния создают по отдельности и уже потом объединяют в батареи. В случае с тонкими пленками все наоборот: сначала выращивают пленку большой площади, накладывают ее на стекло вместе с другими необходимыми слоями, режут лазером на полоски и затем соединяют электрическими контактами. Ученым из Юлиха удалось отработать процесс массового получения модулей площадью 30х30 см с КПД, близким к 10%, а с такими параметрами уже можно ожидать покупателей на технологию. Сейчас промышленно выпускаемые солнечные элементы стоят примерно по 300 евро за 100 ватт электрической мощности. Тонкопленочная технология позволит через 5-10 лет снизить стоимость вдвое, а через 15 - втрое.

Солнечная батарея — один из генераторов альтернативных видов энергии, превращающих солнечное электромагнитное излучение в электричество. Является объектом исследования гелиоэнергетики (от греч.- Ήλιος, Helios — солнце). Производство солнечных батарей развивается быстрыми темпами в самых разных направлениях. 
В будущем, среди современных вещей будет сложно отыскать ту, которая, так или иначе, не связанная с высокими технологиями. В будущем люди будут носить галстуки, в которых используются гибкие солнечные батареи, которые в дальнейшем можно использовать, как ИП для мобильных телефонов или карманных компьютеров. Первый шаг к такому радужному будущему сделали южнокорейские ученые разработавшие революционную солнечную батарею на гибкой основе. Разработка ведется при поддержке государства в лице Electronics and Telecommunications Research Institute (ETRI). Солнечная батарея следующего поколения состоит из тонкой светочувствительной поверхности и стальной подложки придающей всей конструкции гибкость и высокую прочность. Главное преимущество таких батарей - низкая себестоимость, на 80 % дешевле традиционных кремниевых ячеек. Теоретический КПД фотоэлектрического преобразования солнечной энергии 87%. Сейчас КПД 40%. В ближайшие 10 лет КПД достигнет 50%. Уже сейчас использование солнечных батарей экономически оправдано для обеспечения автономных потребителей электроэнергии, а в будущем солнечная фотоэнергетика станет основным методом получения электроэнергии.

Создатель солнечных  батарей

Чарльз Фриттс  (Charles Fritts) был американским изобретателем  приписанный к созданию первой рабочей  солнечной батареи, краткого обзора ячейки (солнечная ячейка - устройство полупроводника, которое преобразовывает фотоны в электричество). В 1884 он покрыл полупроводником селен с чрезвычайно тонким слоем золота. У получающихся ячеек было преобразование приблизительно 1 % вследствие свойств селена, который в комбинации с высокой стоимостью материала предотвратил использование таких ячеек для энергоснабжения. Ячейки селена нашли другое применение, как легкие датчики для выбора времени подвергания в камерах фотографии, где они были распространены хорошо в 1960-ые. Солнечные ячейки позже стали практичными для использования. Развитие 1940-ых кремния ячейки соединения, которые достигли полезных действий выше 5 % к 1950-ым/1960-ым. Сегодняшние лучшие кремниевые солнечные ячейки на более чем 20 % эффективны, с индексом Доу-Джонса для акций промышленных компаний более чем 13 %.

Использование в космосе

Солнечные батареи — один из основных способов получения электрической энергии на космических аппаратах: они работают долгое время без расхода каких-либо материалов, и в то же время являются экологически безопасными (в отличие от ядерных и радиоизотопных генераторов).

Однако при полётах  на большом удалении от Солнца (за орбитой Марса) их использование становится проблематичным, так как поток солнечной энергии обратно пропорционален квадрату расстояния от Солнца. При полётах же к Венере и Меркурию, напротив, мощность солнечных батарей значительно возрастает (в районе Венеры в 2 раза, в районе Меркурия в 6 раз). 

Cолнечная батарея, фотоэлемент или солнечная панель уже давно вошли в наш повседневный лексикон. Правда еще несколько лет назад понятия солнечная батарея или солнечная панель, ассоциировались у нас с высокими космическими технологиями. Но, ничто не стоит на месте и технологии, применяемые в космической и военной промышленности, становятся достоянием массового потребителя.       Солнечные батареи или солнечные панели нашли применение в самых различных приборах и системах наружного освещения. Это уличные фонари и уличные светильники, садовые светильники и системы аварийного освещения, системы автономного и архитектурного освещения.

 

 

 

 

Преимущества использования солнечного электричества

По данным Европейской  организации EUGENE, в странах ЕС доля энергии, произведенной за счет нетрадиционных источников (солнце, ветер, приливы, биомасса, геотермальные воды и пр.), составляет более 6 процентов. В странах СНГ  – менее 1 процента. До 2010 года экологически чистая энергия составит в Европе около 12, а к 2050 году доля ее в мире должна возрасти до 40 процентов. Источником энергии солнечного излучения служит термоядерная реакция на Солнце. Солнечная энергия испускается в виде электромагнитного излучения.  
Чтобы использовать его энергию, необходимо решить такие вопросы: как уловить его наибольший поток, сохранить и передать тепло потребителю без потерь. Ресурсы солнечной энергии неограниченны. Так, по некоторым расчетам количество её, достигшее поверхности земли в течение минуты, больше, чем энергия, выработанная всеми другими источниками на планете в течение года. Преимущества использования солнечного электричества – экологическая чистота и неисчерпаемость сырья с одной стороны и неограниченный «срок годности» - солнечная батарея не имеет движущихся и трущихся частей, а значит, может служить неопределенно долгое время.  Недостатками использования солнечной энергии являются естественные колебания солнечной активности - изменение продолжительности светового дня в течение года. Минимум поступления солнечной энергии или ее полное отсутствие (например, в условиях Заполярья) приходится на зимние месяцы, когда потребность в энергии со стороны потребителей максимальна. И в периоды, когда солнце светит только короткое время, да и только под низким углом. В настоящее время разработка солярных систем ведется по двум направлениям: 1-создание энергетических концентратов,  
2-совершенствование солнечных батарей. Работа над первым направлением включает в себя создание систем, работающих по принципу концентрации энергии. Солнечная энергия в таком случае при помощи линзы фокусируется на относительно небольшом по площади фотоэлектрическом элементе. Принцип работы солнечной батареи (генератора энергии) – это прямое преобразование электромагнитного излучения солнца в электричество. При этом генерируется постоянный ток. Солнечные фотоэлектрические установки могут быть следующих основных типов:  1. Автономные, работающие без подключения к сети, т.е. солнечные модули генерируют электричество для освещения, питания телевизора, радио, насоса, холодильника или ручного инструмента. Обычно, для хранения энергии используются аккумуляторные батареи.  2. Соединенные с сетью - в этом случае объект подключен к сети централизованного электроснабжения, где солнечные батареи используются для генерации собственного электричества. Избыток же электрической энергии обычно продается электросетям. 3. Резервные системы, в которых фотоэлектрические системы подключаются к сетям низкого качества. И в случае отключения сети или недостаточного качества сетевого напряжения нагрузка покрывается солнечной системой.  
          Необходимость делать ставку на надежную, экологически чистую энергию по доступным ценам провоцируют активные поиски и разработку новых технологий.