Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Тенденция последних десятилетий такова, что ученые по всему миру ищут способы получения энергии, которые не затрагивали бы исчерпываемые природные ресурсы и, в идеале, уменьшали бы наносимый экосистемам вред. Наиболее перспективной является выработка энергии солнечными батареями, так как данные устройства представляют собой экологически безопасные источники энергии, способные работать достаточно долгое время без расхода дополнительных ресурсов.
Солнечная батарея (СБ) – устройство, непосредственно преобразующее энергию солнечного излучения в электрическую энергию. СБ состоит из нескольких солнечных элементов. Элемент солнечной батареи (СЭ) представляет собой пластинку кремния n-типа, окруженную тонким слоем кремния р-типа толщиной около одного микрона, с контактами для присоединения к внешней цепи. Его действие основано на использовании внутреннего фотоэффекта в неоднородных полупроводниковых структурах. При попадании света на p-область р–n-перехода в полупроводнике генерируются дополнительные носители заряда, обладающие избыточной потенциальной энергией, которые перемещаются под действием электрического поля и создают на внешних выводах фото ЭДС. Таким образом, избыточная потенциальная энергия носителей преобразуется в электрическую энергию [1, 2].
В данной работе был определен искусственный источник света, при котором солнечная батарея обладает наибольшим КПД.
Для достижения цели исследования было необходимо: получить экспериментально вольт-амперные характеристики солнечного элемента при освещении его четырьмя разными видами ламп: накаливания, светодиодной, люминесцентной и накаливания с люминофорным покрытием; для каждой лампы определить максимальную мощность, вырабатываемую СБ; вычислить поток излучения падающего света как произведение значения интенсивности света каждой лампы, измеренного термоэлектрической батареей (принцип работы которойоснован на эффекте Зеебека) на площадь солнечной батареи; и, далее, во всех четырех случаях найти КПД СБ, как отношение потока излучения падающего света к максимальной мощности; сделать выводы, проанализировав спектральный состав излучений и полученные значения коэффициентов полезного действия.
В работе использовалась солнечная батарея, состоящая из четырех кремниевых солнечных элементов, имеющих суммарную площадь, соединенных последовательно, используемая для питания устройств постоянным напряжением около 94,24 см2 (4×3,1×7,6 см) при максимальном токе 0,8 А; термоэлектрическая батарея, площадь измерительной поверхности которой, согласно паспортным данным, равна 4,9 см2; реостат и цифровой мультиметр; штатив с линейкой; комплект ламп: 1) накаливания с люминофорнымпокрытием (1545 лм); 2) накаливания без покрытия (415 лм); 3) светодиодная (300 лм); 4) люминесцентная (405 лм). Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1 (подробно о установке [3, 4]).
Спектры ламп, использованных в исследовании, представлены на рис. 2.
В результате измерений и математических расчетов были получены ВАХ всех четырех ламп (рис. 3), и определены КПД солнечной батареи в каждом случае. Важно отметить, что площадь излучения лампы накаливания с люминофорным покрытием значительно превышает значения площадей излучения остальных ламп, в результате чего площадь поверхности СБ, освещаемая разными источниками будет различной. Для более точного сравнения КПД необходимо умножить значение каждого из них на коэффициент, представляющий из себя отношение площади излучения лампы накаливания с покрытием к площади каждой из трех других соответственно (этот коэффициент, по сути, корректирует расчеты потока излучения на СБ).
На рис. 3 при освещении СБ лампой накаливания с люминофорным покрытием мощность излучения, падающего на СБ, составляла 2,38 Вт. При этом максимальная электрическая мощность солнечной батареи Pmax = 207,726 мВт, что соответствует КПД солнечной батареи = 8, 7 %.
Рис. 3 демонстрирует также ВАХ солнечной батареи при ее освещении лампой накаливания без покрытия (мощность излучения составляла 0,373 Вт). При этом максимальная мощность СБ составила Pmax = 19,995 мВт. Учитывая коэффициент, описанный ранее, КПД солнечной батареи = 9,5 %. В случае освещения люминесцентной лампой (см. рис. 3), мощность излучения которой 0,016 Вт, на СБ вырабатывается максимальная электрическая мощность Pmax = 0,796 мВт, и, с учетом коэффициента отношения площадей излучения, получаем КПД солнечной батареи равный = 8,0 %. Светодиодное же освещение с потоком 0,0198 Вт вырабатывает на СБ электрическую мощность Pmax = 0,910 мВт, что соответствует коэффициенту полезного действия = 6,3 % (с учетом коэффициента отношения площадей излучения) — наименьшее значение.
Столбчатая диаграмма, отражающая полученные результаты, изображена на рис. 4.
Анализируя спектры ламп накаливания (см. рис. 2), можно заметить, что для ламп накаливания они практически совпадают и являются непрерывными, в то время как для люминесцентной он будет более дискретным. Непрерывным является и спектр светодиодной лампы, однако для последних двух видов ламп количество фотонов красного цвета (с длиной волны 600 нм) минимально по сравнению с лампами накаливания. Это означает, что по сравнению с освещением светодиодной и люминесцентной лампами, поверхность солнечной батареи будет сильнее нагреваться; с теоретической точки зрения, это приведет к снижению КПД. Однако полученные экспериментально результаты не совпадают с ожидаемыми. Это могло произойти по ряду причин. Помимо обыкновенных погрешностей измерений, необходимо учитывать, что мы имели дело с лампами, имеющими разные значения светового потока, измеряемого в люменах. Совершенно очевидно, что лампа накаливания на 1545 лм будет вырабатывать гораздо больший КПД, чем светодиодная со световым потоком 300 лм, если сравнить их спектры. Не удалось добиться теоретически ожидаемой иерархии значений коэффициента полезного действия даже численным приведением площадей излучения к одной с помощью соответствующих коэффициентов. Существует и второе предположение, почему были получены такие результаты. Возможно, это связано с тем, что при проведении опытов с люминесцентной и светодиодной лампами, солнечная батарея была уже нагрета выше комнатной температуры из-за предыдущих экспериментов с лампами накаливания, что могло привести непосредственно к понижению КПД, поскольку электрическая мощность, вырабатываемая солнечным элементом, зависит от температуры самого элемента.
Исследование показало, что коэффициент полезного действия солнечной батареи напрямую зависит от спектра падающего на нее излучения так как последний, в свою очередь, непосредственно влияет на значение вырабатываемой на солнечном элементе электрической мощности. Также немаловажным фактором влияния является температура самого солнечного элемента, ведь при ее повышении КПД заметно уменьшается. Определяющий фактор здесь — наличие достаточного количества фотонов длины волны, меньшей по значению красной границы внутреннего фотоэффекта.
Несмотря на многообещающие перспективы развития, на сегодняшний день остается нерешенной столь важная проблема, как хранение выработанной энергии. Также немаловажную роль играет вопрос утилизации материалов, требующихся для изготовления солнечных батарей, и довольно высокая стоимость этих материалов.
