Результаты экспериментов и их обсуждение

Содержание 
 

Введение ………………………………………………………………… 4 стр. 
 

Глава 1. Обзор основных достижений в области исследования

кремниевых  солнечных элементов при концентрированном 

излучении ………………………………………………………………… 7 стр. 
 

Глава 2. Сборка установки и техника эксперимента ………………… 20 стр. 

2.1.  Конструкция и сборка солнечных батарей

на концентрированном излучении ………………………… 20 стр.

2.2.  Приборы для замера оптических параметров солнечных

элементов и солнечных батарей …………………………... 26 стр.

2.3.  Замер параметров солнечных батарей …………………….  31 стр. 
 

Глава 3. Результаты экспериментов и их обсуждение ………………. 33 стр. 
 

Выводы по работе ……………………………………………………… 38 стр. 
 

Список  литературы …………………………………………………… 39 стр. 
 

Введение

     Солнце, как известно, содержит неисчерпаемый запас энергии. Оно является первопричиной всех известных видов энергии, таких как нефть, газ и уголь. Но со временем эти виды энергии исчерпываются, и цены на них будут только расти. В результате этого мировому сообществу необходимо переходить к использованию возобновляемых источников энергии, в частности, к использованию неисчерпаемых солнечных ресурсов.

     Солнечная энергетика – использование солнечного излучения для получения энергии  в каком-либо виде. Например:

1. Получение электроэнергии с помощью фотоэлементов.
2. 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).
3. Термовоздушные электростанции (преобразование солнечной энергии в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор).
4. Солнечные аэростатные электростанции (генерация водяного пара внутри баллона аэростата за счёт нагрева солнечным излучением поверхности аэростата, покрытой селективно-поглощающим покрытием). Преимущество – запаса пара в баллоне достаточно для работы электростанции в тёмное время суток и в ненастную погоду.

     Основным  видом солнечной энергетики является получение электроэнергии с помощью фотоэлементов.

     В настоящее время фотоэлектрическая  энергетика – самый гибкий способ производства энергии. Его применение варьируется от микросистем, рассредоточенных по обширным территориям, до крупномасштабных электростанций. Эту технологию можно использовать в любых регионах мира.

     Так, к 2005 году сумма установленных мощностей  мира достигли 5 ГВт. Из них: Германия – 57%; Япония – 20%; США – 7%; остальной  мир – 16%. По подсчётам в 2010 году установленная  мощность установок на фотоэлементах достигнет 3,2 – 3,9 ГВт за год, а выручка производителей составит 18,6 – 23,1 млрд $/год. [1]

     Когда установленные мощности фотоэлементов  в мире удваиваются, цена электричества, производимого солнечной энергетикой, падает на 20-30%. [2]

     Широкомасштабному распространению фотоэлектрических станций (ФЭС) мешает низкая плотность солнечной радиации (до 1000 Вт/м²), достигающей поверхности Земли, что требует покрытие огромных площадей дорогими кремниевыми солнечными элементами.

     Одним из путей снижения стоимости ФЭС является применение концентрирующих систем для сбора солнечных лучей с большой площади и их фиксирование на небольшой объём солнечного элемента (СЭ).

     В частности, концентрирующие системы состоят из зеркал, которые могут быть плоскими, вогнутыми и параболоидной формы. Принцип работы концентраторов в виде зеркал заключается в отражении солнечного излучения на поверхность СЭ. Так же концентрировать солнечное излучение можно с помощью линз Френеля.

     Изготовленные обычно из оргстекла, линзы Френеля представляют собой пластину толщиной 1 – 3 мм, одна сторона которой является плоской, а на другой вырезан профиль в виде концентрических колец, повторяющий профиль выпуклой линзы. Линзы Френеля существенно дешевле обычных выпуклых линз и обеспечивают при этом степень концентрации в 2 – 3 тысячи «солнц». Принцип работы линз Френеля заключается в собирании солнечного излучения, падающего перпендикулярно на пластину с плоской стороны, в одной точке, называемой фокусом линзы. А расстояние между линзой и фокусом называется фокусным расстоянием линзы. Именно в зависимости от этого расстояния и от степени концентрации, которую необходимо получить, устанавливается СЭ.

     Целью настоящей работы является сборка и  исследование оптических свойств солнечной  батареи из четырёх СЭ, работающих на концентрированном солнечном излучении с помощью линз Френеля.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава 1.

Литературный  обзор

     Сейчас  всё труднее сохранить высокий темп развития энергетики путем использования лишь традиционных ископаемых источников энергии, таких как нефть, газ и уголь, наиболее удобных в потреблении. Причиной этого является ограниченность ископаемых энергетических ресурсов и как следствие рост цен на эти ресурсы. Кроме того, нефть, газ и уголь являются также ценнейшим сырьём для интенсивно развивающейся химической промышленности.

     Атомная энергетика в последнее время  также столкнулась со значительными  трудностями, связанными, в первую очередь, с необходимостью резкого увеличения затрат на обеспечение безопасности работы атомных электростанций.

     Загрязнение окружающей среды продуктами сгорания ископаемых источников, в первую очередь  угля и ядерного топлива, является причиной ухудшения экологической обстановки на Земле. Существенным является также  и «тепловое загрязнение» планеты, происходящее при сжигании любого вида топлива. Допустимый верхний предел выработки энергии на Земле всего на два порядка выше нынешнего среднего мирового уровня. Такой рост энергопотребления может привести к увеличению температуры на поверхности Земли примерно на один градус. Нарушение энергобаланса планеты в таких масштабах может дать необратимые опасные изменения климата. Эти обстоятельства определяют возрастающую роль возобновляемых источников энергии, широкое использование которых не приведёт к нарушению экологического баланса Земли [3].

     Большинство возобновляемых видов энергии –  гидроэнергия, механическая и тепловая энергия мирового океана, ветровая и геотермальная энергия –  характеризуется либо ограниченным потенциалом, либо значительными трудностями  широкого использования. Суммарный потенциал большинства возобновляемых источников энергии позволит увеличить потребление энергии с нынешнего уровня всего лишь на порядок. Но существует ещё один источник энергии – Солнце. Интенсивность солнечного света на уровне моря в южных широтах, когда Солнце в зените, составляет 1 кВт/м². При разработке высокоэффективных методов преобразования солнечной энергии Солнце может обеспечить бурно растущие потребности в энергии в течении многих сотен лет [4].

     Доводы  противников крупномасштабного использования солнечной энергии сводятся в основном к следующим аргументам:

1. Удельная мощность солнечной радиации мала, и крупномасштабное преобразование солнечной энергии потребует очень больших площадей.
2. Преобразование солнечной энергии очень дорого и требует практически нереальных материальных и трудовых затрат.
3. Поверхность фотопанелей нужно очищать от пыли и других загрязнений. При их площади в несколько квадратных километров это может привести к большим затратам.
4. Эффективность фотоэлектрических элементов заметно падает при их нагреве, поэтому возникает необходимость в установке систем охлаждения, обычно водяных.
5. Солнечная электростанция не работает ночью и недостаточно эффективно работает в утренних и вечерних сумерках.

     Действительно, как велика будет площадь Земли, покрытой преобразовательными системами, для производства заметной в мировом энергетическом бюджете доли электроэнергии? Очевидно, что эта площадь зависит от эффективности используемых преобразовательных систем. Для оценки эффективности фотоэлектрических преобразователей, осуществляющих прямое преобразование солнечной энергии в электрическую с помощью полупроводниковых фотоэлементов, введём понятие коэффициента полезного действия (КПД) фотоэлемента, определяемого как отношение мощности электроэнергии, вырабатываемой данным элементом, к мощности падающего на поверхность фотоэлемента солнечного излучения. Так, при КПД солнечных преобразователей, равном 10%, для производства 10¹² Вт электроэнергии потребовалось бы покрыть фотопреобразователями площадь 4×10¹° м², равную квадрату со стороной 200 км. При этом интенсивность солнечной радиации принята равной 250 Вт/м², что соответствует типичному среднему значению в течении года для южных широт. Однако, в сравнении с гидроэнергетикой, которая выводит из пользования заметно большие участки земли, это не столь велико. То есть «низкая плотность» солнечной радиации не является препятствием для развития крупномасштабной солнечной энергетики [5].

       Существует два основных направления  в развитии солнечной энергетики: решение глобального вопроса снабжения энергией и создание солнечных преобразователей, рассчитанных на выполнение конкретных локальных задач. Эти преобразователи, в свою очередь, также делятся на две группы; высокотемпературные и низкотемпературные [6].

     В преобразователях первого типа солнечные  лучи концентрируются на небольшом  участке, температура которого поднимается до 3000°С, такие установки уже существуют (Рис.1). Они используются, например, для плавки металлов.

     Самая многочисленная часть солнечных преобразователей работает при гораздо меньших температурах – порядка 100-200°С. С их помощью подогревают воду (Рис.2), готовят пищу (Рис.3), обогревают дома и теплицы, а самое главное получают электроэнергию.

     Одним из лидеров практического использования энергии Солнца стала Швейцария. Здесь построено примерно 2600 солнечных фотоэлектрических станций на кремниевых фотопреобразователях мощностью от 1 (Рис.4) до 1000 кВт и солнечных коллекторных устройств для получения тепловой энергии.

     ФЭС на кремниевых фотопреобразователях, чаще всего мощностью 2-3 кВт, монтируют на крышах и фасадах зданий. Она занимает примерно 20-30 квадратных метров. Такая установка вырабатывает в год в среднем 2000 кВт/ч электроэнергии, что достаточно для обеспечения бытовых нужд среднего швейцарского дома. Дневной избыток энергии в летнюю пору направляют в электрическую сеть общего пользования. Зимой же, особенно в ночные часы, энергия может быть бесплатно возвращена владельцу ФЭС.

     Крупные фирмы монтируют на крышах производственных корпусов ФЭС мощностью до 300 кВт. Одна такая станция может покрыть потребности предприятия в энергии на 50-70%.

     В районах альпийского высокогорья, где нерентабельно прокладывать линии электропередач, строятся автономные ФЭС с аккумуляторами.

     Автономная солнечная установка у посёлка Гримзель даёт электроэнергию для круглосуточного освещения автодорожного тоннеля. Вблизи города Шур солнечные панели, смонтированные на 700-метровом участке шумозащитного ограждения, ежегодно дают 100кВт электроэнергии. Солнечные панели мощностью 320 кВт, установленные по заказу фирмы Biral на крыше её производственного корпуса в Мюнзингене (Рис.5), почти полностью покрывают технологические потребности предприятия в тепле и электроэнергии [7].

     С 1988 года на Керченском полуострове работает Крымская солнечная электростанция. Кажется, самим здравым смыслом определено ее место. Уж если где и строить такие станции, так это в первую очередь в краю курортов, санаториев, домов отдыха, туристских маршрутов; в краю, где надо много энергии, но еще важнее сохранить в чистоте окружающую среду, само благополучие которой, и прежде всего чистота воздуха, целебно для человека. Крымская СЭС невелика – мощность  всего 5 МВт(Рис.6) [8].

    Нью-Йоркская компания Prism Solar Technologies разработала концепт солнечного модуля, который использует голограммы для фокусировки света (Рис.7.), что может сократить стоимость солнечных модулей на 75%. Это  
 

 
 
 
 
 
 
 

Рис.1. Большая солнечная печь (БСП) мощностью 1000 кВт НПО "Физика- Солнце" АН РУ, Ташкент.

Рис.2. Прачечная, использующая для работы солнечную энергию. 
 
 
 

 

Рис.3. Солнечная кухня. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис.4. Солнечный модуль, мощностью 1 кВт. 
 
 
 
 
 

 

Рис.5. Солнечные панели, установленные на крыше производственного корпуса фирмы Biral в Мюнзингене.