Краткие теоретические сведения

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 3

Солнце является основным источником энергии, обеспечивающим существование жизни на Земле. Вследствие реакций ядерного синтеза в активном ядре Солнца достигаются температуры до 10⁷ К. При этом поверхность Солнца имеет температуру около 6000 К. Электромагнитным излучением солнечная энергия передается в космическом пространстве и достигает поверхности Земли. Вся поверхность Земли получает от Солнца мощность около 1,2·10¹⁷ Вт. Это эквивалентно тому, что менее одного часа получения этой энергии достаточно, чтобы удовлетворить энергетические нужды всего населения земного шара в течение года. Максимальная плотность потока солнечного излучения, приходящегося на Землю, составляет примерно 1 кВт/м². Для населенных районов в зависимости от места, времени суток и погоды потоки солнечной энергии меняются от 3 до 30 МДж/м² в день. В среднем для создания комфортных условий жизни требуется примерно 2 кВт энергетической мощности на человека или примерно 170 МДж энергии в день. Если принять эффективность преобразования солнечной энергии в удобную для потребления форму за 10 % и поток солнечной энергии 17 МДж/м² в день, то требуемую для одного человека энергию можно получить со 100 м² площади земной поверхности. При средней плотности населения в городах 500 человек на 1 км² на одного человека приходится 2000 м² земной поверхности. Таким образом, достаточно всего 5 % этой площади, чтобы за счет снимаемой с нее солнечной энергии удовлетворить энергетические потребности человека.

Для характеристики солнечного излучения используются следующие основные величины.

Поток излучения – величина, равная энергии, переносимой электромагнитными волнами за одну секунду через произвольную поверхность. Единица измерения потока излучения – Дж/с = Вт.

Плотность потока излучения (энергетическая освещенность) – величина, равная отношению потока излучения к площади равномерно облучаемой им поверхности. Единица измерения плотности потока излучения – Вт/м².

Плотность потока излучения от Солнца, падающего на перпендикулярную ему площадку вне земной атмосферы, называется солнечной константой S, которая равна 1367 Вт/м².

Световой поток. Световым потоком называется поток излучения, оцениваемый по его воздействию на человеческий глаз. Человеческий глаз неодинаково чувствителен к потокам света с различными длинами волн. Обычно при дневном освещении глаз наиболее чувствителен к свету с длиной волны 555 нм. Поэтому одинаковые по мощности потоки излучения, но разные длины волн вызывают разные световые ощущения у человека. Единицей измерения светового потока с точки зрения восприятия его человеческим глазом (яркости) является люмен (лм).

Освещенность – величина, равная отношению светового потока, падающего на поверхность, к площади этой поверхности. Освещенность измеряется в люксах (лк). 1 лк = 1 лм/м². Для белого света 1 лк = 4,6 · 10^–3 Вт/м² (или 1 Вт/м² = 217 лк). Приборы, предназначенные для измерения освещенности, называются люксметрами. Данные об освещенности, создаваемой различными источниками, приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

В связи с большим потенциалом солнечной энергии чрезвычайно заманчивым является максимально возможное непосредственное использование ее для нужд людей. При этом самым оптимальным представляется прямое преобразование солнечной энергии в наиболее распространенную в использовании электрическую энергию. Это становится возможным при использовании такого физического явления, как фотоэффект.

Фотоэффектом называются электрические явления, происходящие при освещении вещества светом, а именно: выход электронов из металлов (фотоэлектрическая эмиссия или внешний фотоэффект); перемещение зарядов через границу раздела полупроводников с различными типами проводимости (p–n) (вентильный фотоэффект); изменение электрической проводимости (фотопроводимость). При освещении границы раздела полупроводников с различными типами проводимости (p–n) между ними устанавливается разность потенциалов (фотоЭДС). Это явление называется вентильным фотоэффектом, и на его использовании основано создание фотоэлектрических преобразователей энергии (солнечных элементов и батарей). Наиболее распространенным полупроводником, используемым для создания солнечных элементов, является кремний.

Солнечные элементы характеризуются коэффициентом преобразования солнечной энергии в электрическую, который представляет собой отношение падающего на элемент потока излучения к максимальной мощности вырабатываемой им электрической энергии. Кремниевые солнечные элементы имеют коэффициент преобразования 10–15 % (т. е. при освещенности 1 кВт/м2 вырабатывают электрическую мощность 1–1,5 Вт) при создаваемой разности потенциалов около 1 В.

Типичная структура солнечного элемента с p–n-переходом, изображенная на рис. 2, содержит: слой полупроводника (толщиной 0,2–1,0 мкм) с n-проводимостью 1; слой полупроводника (толщиной 250–400 мкм) с p-проводимостью 2; добавочный потенциальный барьер (толщиной 0,2 мкм) 3; металлический контакт с тыльной стороны 4; соединительный проводник с лицевой поверхностью предыдущего элемента 5; противоотражательное покрытие 6; лицевой контакт 7; соединительный проводник к тыльному контакту следующего элемента 8. Характерный размер солнечного элемента 10 см.

Рис. 2.1. Структура солнечного элемента

Солнечные элементы последовательно соединяются в солнечные модули, которые, в свою очередь, параллельно соединяются в солнечные батареи, как изображено на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Солнечный элемент (Э); солнечный модуль (М); солнечная батарея (Б)

В 1958 году впервые солнечные батареи были использованы для энергообеспечения искусственного спутника Земли Vanguard 1. В последующем они стали неотъемлемой частью космических аппаратов. Широко известны микрокалькуляторы, часы, радиоприемники и многие другие электронные аппараты, работающие на солнечных батареях.

Несмотря на неравномерность суточного потока солнечного излучения и его отсутствие в ночное время, в паре с солнечными элементами как правило применяется аккумуляторная батарея, накапливая вырабатываемое солнечной батареей электричество, позволяет обеспечить непрерывную работу солнечной энергетической установки.

Экспериментальная установка

Экспериментальная установка на основе набора Lego Education содержит: солнечный модуль, мультиметр для определения силы тока и напряжения, вырабатываемых солнечным модулем; источник света, имитирующий солнечное излучение, может содержать люксметр для определения освещенности поверхности солнечного модуля и реостат, представляющий собой регулируемую нагрузку в электрической цепи. Более детальное описание приведено в инструкции к установке.

Порядок выполнения работы

Исследование характеристик холостого хода солнечного элемента

1. Удостовериться, что нагрузка на солнечный модуль отсоединена.

2. Установить источник света на прямое излучение на поверхность солнечного модуля.

3. Включить источник света.

4. Люксметром измерить освещенность Е в центре (Ец) и в четырех крайних точках поверхности (Е1, Е2, Е3, Е4) солнечного модуля и вычислить ее среднее значение (Еср).

5. По показаниям вольтметра определить вырабатываемую солнечным элементом ЭДС.

6. Проделать аналогичные измерения при косом падении излучения на поверхность модуля, поворачивая источник.

7. Вычислить плотность потока излучения W (энергетическую освещенность), используя соотношения между лк и Вт/м2 для белого света,

W = 4,6·10^-3 Еср.

8. Вычислить ЭДС, вырабатываемую одним солнечным элементом, разделив ЭДС на число элементов.

9. Все результаты занести в таблицу.

10. Построить график зависимости ЭДС солнечного модуля от плотности потока излучения W, падающего на его поверхность.

Таблица 2.2

11. Отметить наибольшее значение мощности, вырабатываемой солнечным модулем.

Контрольные вопросы

1. Основные параметры, характеризующие солнечную энергетическую установку.

2. Возобновляемые ресурсы. Перспективы использования.

3. Гелиоэнергетика. Преимущества и недостатки.

4. Фотоэффект. Принцип работы гелиоустановки.

Рекомендации преподавателю

Описание формы подведения итогов в конце занятия (что представляют дети, как считаем баллы, по каким критериям, связанным с планируемыми результатами, и кто определяет победителя и пр.)

Форма занятий: в игровой форме.

Ход урока:

1) Рассказ про электронику (не более 3 минут)

2) Рассказ про факультет (не более 5 минут)

3) Рассказ про задания (~2 минуты)

4) Разделение на группы (~2 минуты)

5) Выполнение задания (~30 минут)

6) Подведение итогов (~3 минуты)

Баллы назначаются за:

- время выполнения (кто быстрее - получает больше баллов)

- качество решения и его продуманность

- работу в команде

Материально-техническое обеспечение (что обеспечивает факультет, что требуется от школы).

Базой для лабораторных работ являются наборы Lego Education NN9688, 9686 и 9797

Список интернет-ресурсов, программного обеспечения:

http://nsportal.ru/ap/library/nauchno-tekhnicheskoe-tvorchestvo/2012/08/23/referat-na-temu-elektroenergiya-polozhitelnoe-i

WordPad

Chrome

Дата добавления: 2018-09-22; просмотров: 162; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 23

Мы поможем в написании ваших работ!