Салеев Никита
ученик 9 класса
МОУ «Школа-гимназия №37»
г. Волжский
Солнечные батареи, альтернативные источники энергии
Перед человечеством всегда очень остро стоял и стоит вопрос: как обеспечить население дешевой энергией. Ведь энергия - основа благополучия и развития.
С течением истории человечество развивается, появляется больше заводов, фабрик, им нужно огромное количество энергии для производства, популяция населения увеличивается и каждому нужна энергия для бытовых нужд. Не мудрено, что потребность в электроэнергии возрастает вместе с ростом населения. На сегодняшний день наука шагнула так далеко вперед, что человек изобрел множество источников энергии, в том числе и альтернативных. Что же такое альтернативный источник энергии? «Альтернативный источник энергии является возобновляемым ресурсом, он заменяет собой традиционные источники энергии, функционирующие на нефти, добываемом природном газе и угле, которые при сгорании выделяют в атмосферу углекислый газ, способствующий росту парникового эффекта и глобальному потеплению.» Солнце также является источником энергии, которой очень много, и которая закончится по расчетам ученых через 100 миллиардов лет. Я вижу будущее за этой технологией так как запасы полезных ископаемых с каждым днем все меньше и меньше, а Солнце будет светить также в течении долгого времени. К тому же, эта технология использовалась нашими предками в древности. Сократ говорил: «в домах, смотрящих на юг, зимнее солнце проникает через галерею, а летом путь солнца проходит над нашей головою и прямо над крышей, из-за чего образуется тень». Греческая архитектура использовала зависимость солнечных путей от времён года. Также большинство развитых стран, такие как Германия, Япония и Китай, используют солнечные батареи для выработки электричества. Я рассмотрю принцип работы солнечных батарей, поведаю об основных их видах, укажу все его недостатки и достоинства.
Возможностью использования солнечной мы должны быть благодарны гелиоэнергетике. Эта наука исследует и разрабатывает устройства, которые преобразуют энергию Солнца в электрическую. Преобразование солнечной энергии основывается на двух вещах: фотоэлектрическом эффекте и свойствах полупроводников.
«Внешний фотоэлектрический эффект - явление вырывания электронов из вещества под действием света.» Впервые был замечен Генрихом Герцом в 1887 году. «Сущность явления состоит в том, что при освещении ультрафиолетовыми лучами металлическое тело теряет электроны. Фотоэффект можно наблюдать, например, при освещении светом электрической дуги цинковой пластинки, соединенной с электрометром и заряженной отрицательно.»
«Полупроводник — материал, по удельной проводимости занимающий промежуточное место между проводниками и диэлектриками». В основном полупроводниковые устройства производят из кремния, раньше использовали германий, но при высоких температурах германиевые транзисторы давали сбои. Также кремния в земной коре значительно больше, чем германия. Кристаллическую решетку полупроводников атомы устанавливают в ковалентную связь, то есть, один электрон связывает два атома. Например, кремний имеет на внешнем энергетическом уровне 4 электрона, значит, он может присоединить к себе максимум еще четыре атома. Нетрудно понять, что в чистом кремнии свободных электронов не будет, он проявляет пока свойства диэлектрика, но, добавив в чистый кремний фосфор, имеющий на внешнем энергетическом уровне 5 электронов, мы получаем соединение имеющие уже 1 свободный электрон. Такую смесь называют n-слоем. Но, добавив к чистому кремнию бор, имеющий на внешнем слое 3 электрона, из 4 связей будет только 3, а значит один атом кремния останется без электрона, и образуется вакантное место для электрона. Такое место называется дырка, а слой, заполненный дырками, p-слоем.
Основа солнечной батареи – кристалл чистого кремния. В n-слой добавляют фосфор, а в p-слой-бор. Фотоны выбивают из n-слоя свободные электроны, те, в свою очередь, попадают в дырки, начинается упорядоченное движение отрицательно заряженных частиц, что и называется электрическим током. Этот «бутерброд» из примесей кремния называется фотоэлементом, а модули, состоящие из множества таких фотоэлементов-батареи. Чтобы достичь необходимого соотношения напряжения и силы тока соединение модулей производится последовательно и параллельно. Производимое солнечными батареями электричество- постоянное, оно накапливается на аккумуляторах. Почти все дома и предприятия используют переменный ток, поэтому ток из аккумулятора преобразуется в переменный через инвертор. Я поведал об общем устройстве солнечной батареи, ведь вместо бора, для создания p-слоя, может использоваться и алюминий, также имеющий на внешнем слое 3 электрона. Поэтому бывают и разные виды солнечных батарей.
Интерес потребителя представляют в основном кремниевые, а те, в свою очередь, делятся на поликристаллические и монокристаллические. Монокристаллические производятся из наиболее чистый кремний, производство их достаточно дорогое, но кпд они выдают 17-25% и очень компактны. Однако они очень чувствительны к загрязнениям, которые рассеивают свет, срок службы 25 лет. Для производства поликристаллических же используют менее чистый кремний, чем у «конкурента». От чего снижается себестоимость панелей. Также они обладают высокой эффективность в условиях повышенной рассеянности, служат значительно дольше, чем монокристаллические. Через 20 лет эффективность падает на 15-20%. Правда, КПД у этого вида панелей меньше , чем у монокристаллических (12-18%), и поликристаллические панели занимают больше места.
В заключение, хочу сказать, что солнечная энергия- одна из самых перспективных видов альтернативной энергии, солнечные батареи покрывают крыши частных зданий, ими оснащают портативные устройства, не требующие много энергии. К их плюсам относят: автономность, установка электрических батарей незаменима там, где нет возможности подключится к электрической сети, батарея не сможет отопить весь дом, но легко справится с задачей обеспечения энергией котла отопления, экономичность. Используется энергия Солнца, которая не закончится еще не скоро, не требует специальной площадки, снижает стоимость отопления. Батарея мощностью 800 Вт способна «запитать» бытовые электроприборы. Срок службы до 25 лет. Окупается в среднем за 3 года. Также батареи просты в установке. Для установки не требуется газовой службы, БТИ и других структур. Экологичность, батареи не опасны для владельцев дома и природы. Источник чистого электричества, не выделяет вредных веществ. Выглядит очень заманчиво, но у них существуют свои недостатки. Они зависимы от погодных условий, и не способны полностью обеспечить энергией дом. Установка массивных электростанций требует серьезных затрат. Вырабатывают электрический ток панели не очень эффективно. КПД их примерно составляет 20%, но для выполнения некоторых задач они вполне подходят. Надеюсь, и в скором будущем человечеству удастся изобрести материал, который сможет преобразовывать энергию Солнца более эффективно, чем современные кремниевые пластины, и круг задач перед солнечными панелями значительно увеличится.
Источники:
https://online.mephi.ru/courses/physics/atomic_physics/data/course/2/2.2.html
https://sovet-ingenera.com/eco-energy/sun/vidy-solnechnyx-batarej.html#i-2
https://www.youtube.com/watch?v=fPp37tg5sOc
https://www.youtube.com/watch?v=OMGdSCaMVD0&t=338s
https://ekobatarei.ru/energia/kak-rabotayut-solnechnye
https://ru.wikipedia.org/wiki/Полупроводник#Механизм_электрической_проводимости
https://habr.com/ru/post/402041/