VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Для обитателей Земли Солнце является неисчерпаемым и бесплатным источником энергии. Испокон веков люди использовали энергию Солнца для удовлетворения своих потребностей: выращивания урожая, сушки белья, нагрева воды или просто согревания посредством поглощения солнечной радиации в виде прямых и рассеянных лучей. Невозможно представить жизнь современного дачника без теплицы или летнего душа, являющегося одним из способов использования солнечной энергии, правда, достаточно кратковременного: к утру температура в теплице падает, и бак с водой охлаждается. С развитием науки солнечная энергия стала востребованным источником возобновляемой энергии.

В Европе и других развитых странах, где климатические условия позволяют использовать энергию солнца, разработаны солнечные батареи - полупроводниковый фотоэлектрический генератор, непосредственно преобразующий энергию солнечной радиации в электрическую. Энергия может использоваться непосредственно напрямую или запасаться в аккумуляторных батареях для использования в будущем при необходимости. В Германии часто встречаются энергоэффективные дома, получающие тепло и электричество за счет инсоляции солнечных коллекторов. В России данная технология ещё не нашла распространения и поэтому большое количество крыш и других открытых солнцу поверхностей не используются для получения энергии. И хотя противники гелиоэнергетики как направления альтернативной энергии утверждают, что в России достаточное количество традиционных ресурсов, а установка иных из-за условий климата не рентабельна, развитие этой отрасли в нашей стране уже идет. В городах Крыма и в Сочи можно встретить дома, на крыше которых находятся солнечные панели, снабжающие энергией хозяев дома. В Казани создан автономный экспериментальный дом, показавший практическое применение перспективной технологии. Он не требует подключения к внешним коммуникациям - теплоцентрали и электросети, при этом там есть горячая вода, освещение и все современные бытовые электроприборы.

Ключевые слова: Солнце, энергоэффективность, солнечная радиация, альтернативные источники энергии, солнечные коллекторы.

Проблемы и поиск способа их решения

В наше время тема энергосбережения и развития альтернативных источников энергии как нельзя актуальна. Традиционные источники стремительно иссякают и уже через каких-нибудь пятьдесят лет могут быть исчерпаны, уже сейчас энергетические ресурсы довольно дороги.[1] Анализ сложившейся ситуации заставляет искать новые способы получения энергии, и одним из наиболее перспективных направлений является получение солнечной энергии. Производство солнечных батарей сегодня как никогда актуально, они выступают в качестве источников энергии в широком спектре областей, в том числе в телекоммуникационной, космической отраслях, медицине, связи, микроэлектронике и прочих сферах жизни. Исследования в этой области не прекращаются, так как получение энергии из неисчерпаемого источника очень заманчиво. Начиная в 19 веке, c КПД солнечных батарей 1%, с развитием технологий оно дошло до 19%, а значит мечта Чарльза Фриттса, использовавшего покрытый золотом селен для производства первого солнечного элемента, осуществима.[2] Но наука должна сделать еще много открытий для создания солнечных батарей, способных заменять существующие электростанции.

Цель научной работы - рассмотрение эффективности использования солнечных батарей в Нижегородской области. Определение их способности стать основным источником энергии в данном районе, либо частично заменить традиционные источники энергии, а также оценка рентабельности внедрения технологий гелиоэнергетики.

Задачи исследования:

1.Рассмотрение видов солнечных батарей, определение их преимуществ и недостатков;

2. Рассчёт средней цены на рынке солнечных батарей;

3. Определение суммарного количества солнечной радиации, поступающей на энерговоспринимающие плоскости;

4. По результатам исследования определить способность солнечных батарей обеспечить энергией небольшой поселок в 60 домов в Нижегородской области; Оценить экономическую составляющую данного мероприятия.

Анализ сферы на сегодня

В настоящее время производимые солнечные батареи не могут полностью удовлетворить потребности в энергии, но они стали основным источником энергии для обеспечения искусственных спутников Земли. Пока количество установленных крупномасштабных энергетических фотоэлектрических систем невелико. Большинство усилий направлено на обеспечение с их помощью электроэнергией отдаленных и труднодоступных мест. Мощность ежегодно устанавливаемых солнечных электростанций составляет около 50 мегаватт. Но солнечные батареи обеспечивают лишь около 1 процента всей производимой в настоящее время электроэнергии.

Преимущества и недостатки солнечных батарей

Одно из главных достоинств солнечных батарей - их экологическая чистота. Так же они долговечны, средняя продолжительность их службы 40-50 лет, все это время они не требуют особого ухода, кроме периодического вытирания пыли. Сейчас, на этом этапе производства главными недостатками солнечных батарей является: зависимость от погоды и времени суток, дороговизна конструкции, хотя сейчас их производство растет, что приводит к снижению цен. [3]

Исследовательская часть

Принцип работы

Принцип работы солнечных батарей отличается сравнительной простотой. Сердцем фотоэлемента является кремниевый кристалл. В лаборатории кристаллам придают форму куба и режут на платины толщиной в двести микрон (примерно три-четыре толщины человеческого волоса).

На кремниевую пластинку с одной стороны наносят тончайший слой фосфора, с другой стороны – тончайший слой бора. Там, где кремний контактирует с бором, возникает избыток свободных электронов, а там, где кремний контактирует с фосфором, наоборот электроны в недостатке, возникают так называемые «дырки». Стык сред, обладающих избытком и недостатком электронов, называется в физике p-n переход. Фотоны света бомбардируют поверхность пластины и вышибают избыточные электроны фосфора к недостающим электронам бора. Упорядоченное движение электронов – это и есть электрический ток. Осталось только «собрать» его, проведя через пластину металлические дорожки. Так в принципе устроен кремниевый фотоэлемент.

Мощность одной пластинки - фотоэлемента довольно скромная, ее хватит разве что для работы лампочки карманного фонарика. Поэтому отдельные элементы собирают в системы-батареи. Теоретически можно собрать из элементов батарею любой мощности. Батарею укладывают на металлическую подложку, армируют для повышения прочности и накрывают стеклом. Важно, что солнечная батарея преобразует в электричество не только видимую, но и ультрафиолетовую часть солнечного спектра, поэтому стекло, покрывающее батарею обязательно должно пропускать ультрафиолет. [4]

Виды солнечных панелей

Существуют различные виды солнечных панелей. На сегодняшний день самые надежными и эффективными считаются монокристаллические. Для их изготовления используется кремний, который плавят, а затем кристаллизуют в слитки для дальнейшей работы. КПД составляет 15-17%, производительность за каждые 20-25 лет службы постепенно снижается приблизительно на 20%, срок службы такой системы составляет 40-50 лет. Существуют так же поликристаллические, ленточные, аморфные виды солнечных панелей, главным образом, отличающиеся от монокристаллических способом обработки кремния и как следствие снижение эффективности работы и цены. В своей работе я буду рассматривать монокристаллические панели, так как в погодных условиях России главным критерием является эффективность работы. [3]

Компоненты для полноценной работы солнечной панели

Автономная система энергоснабжения, помимо солнечных батарей, включает в себя ещё несколько компонентов. Инвертор - инверторный преобразователь постоянного тока в переменный и наоборот. Контроллеры заряда солнечных батарей — устройства, отвечающие за эффективное преобразование вырабатываемой электроэнергии. Без контроллеров невозможна работа солнечных панелей с аккумуляторами — их пришлось бы вручную отключать от аккумуляторных батарей каждую ночь и в конце каждого заряда. Кроме того, контроллеры повышают эффективность функционирования солнечных панелей на 30-50 %. Аккумуляторные батареи (АКБ) запасают энергию, ведь солнечные панели работают только в светлое время суток. Реле управления внешними устройствами. В автономной системе они используются для включения и выключения групп устройств, на которые подаётся электроэнергия. Также реле применяются, например, для автоматического включения дизельного генератора в случае сильного снижения уровня заряда АКБ. Кроме того, в систему могут входить дополнительные генераторы тока. Чаще всего—дизельный генератор, который играет роль аварийного, когда погода не позволяет работать солнечным батареям достаточно мощно. Все компоненты панели, как и она сама служат определенный период времени, контроллер и инвертер 15-20 лет, аккумулятор в зависимости от типа 4-10 лет.

Результаты исследования

На территорию Нижегородской области приходится приблизительно 108 солнечных дней, а суммарное количество солнечной радиации составляет 3,6 ГДж/м2, причем минимум приходится на зимние месяцы, когда человеку необходимо наибольшее количество энергии. Современные солнечные панели не способны обеспечить полноценную работу автономного поселка. Но я надеюсь, что в будущем наука сможет усовершенствовать их работу, чтобы установка таких систем была возможна и на территории Нижегородской области.

Литература

1. «Жилые дома с автономным, солнечным теплохладоснабжением». Автор: С. Танака, Р. Суда

2. «Альтернативная энергетика без тайн». Автор: Стэн Гибилиско / Stan Gibilisco

3. «Солнечная энергетика». Автор: Умаров Г. Я., Ершов А. А.

Интернет источники:

1. http://www.gazeta.ru/science/2013/02/11_a_4961045.shtml

2. http://energosberejenie.org/stati/istoriya-sozdaniya-solnechnykh-batarej

3. http://svetdv.ru/sun/index.shtml

4. http://energomir.net/alternativnaya-energetika/princip-raboty-solnechnoj-batarei.html

Код для цитирования: Скопировать