В статье представлена методика и результаты эксперимента, подтверждающего факт эффективного использования фотоэлементов (солнечных батарей) в области низких температур (до -40 °С), имитирующих условия Арктики и циркумполярных территорий.
Традиционная энергетика, использующая невозобновляемые ресурсы, истощает их запасы. В скором времени нефть, уголь и газ могут полностью закончиться, что будет началом всемирного энергетического кризиса [1]. В то же время существует проблема энергоснабжения Северных территорий, которые, как правило, являются слабозаселенными. Проводить линию электропередач для оснащения электрической энергией удаленные населенные пункты неэффективно, как и поставлять на удаленные территории углеводородное топливо [2]. Но каждый день природа предоставляет нам огромное количество «бесхозной» энергии в виде воды, ветра, Солнца и др., которую мы не используем [3]. Выходом из ситуации является использование предоставляемой природой энергии. Но насколько эффективно использование таких источников при условии отрицательных температур?
Целью работы является изучение параметров солнечных батарей и определение эффективности использования солнечных панелей в условиях низких температур.
Принцип работы солнечной батареи заключается в следующем: электроны под действием солнечного света выходят из р-слоя, затем попадают в n-слой, предварительно пройдя определенную нагрузку. N-слой выступает источником избыточных электронов. Таким образом, создается разность потенциалов — получается источник питания [4].
Для исследования эффективности использования солнечных панелей использовалась собственно солнечная панель (полупроводниковая) размерами 8 см на 11 см, цифровой вольтметр для определения ЭДС батареи, амперметр для определения силы тока в цепи, нагрузочное сопротивление 4000 Ом. Солнечная панель помещалась в камеру тепла-холода Espec EG-2J, в качестве источника-имитатора солнечного света использовался прожектор, который размещался в технологическом отверстии климатической камеры. Расстояние между прожектором и солнечной панелью выбиралось таким образом, чтобы освещенность солнечной панели, определенная с помощью люксметра, составляла 5000 лк.
Был проведен ряд экспериментов. В первом солнечная панель подключалась к вольтметру и исследовалось значение ЭДС солнечной панели в режиме холостого хода в зависимости от температуры в диапазоне от -40 °С до 40 °С. Во втором эксперименте исследовалась мощность солнечного элемента в используемом диапазоне температур при наличии нагрузки, принципиальная схема эксперимента приведена на рис. 1.
|
|
|
|
Рис. 1. Принципиальная схема электрической цепи |
Рис. 2. Температурная зависимость ЭДС и мощности солнечной панели |
Результаты проведенных экспериментов приведены на рис. 2. Из них следует, что при низких температурах около -25 °С ЭДС и мощность на 15–20 % выше, чем при положительных температурах вблизи +25 °С. Как в режиме холостого хода, так и при нагрузке, ЭДС солнечной панели при уменьшении температуры увеличивается — это связано с тем, что при уменьшении температуры в металлическом слое солнечной батареи уменьшается электрическое сопротивление. При наличии нагрузки мощность солнечной панели так же увеличивается при уменьшении температуры.
Следующим экспериментом стало исследование зависимости ЭДС солнечной панели от угла падения света. Также, как и в первых экспериментах, солнечная панель подключалась к электронному вольтметру и исследовалось значение ЭДС панели в режиме холостого хода в зависимости от угла падения света. Показания замерялись при постоянно низкой и постоянно высокой температуре (-30 °С и 30 °С).
Результаты предоставлены на рис. 3.
Рис. 3. Зависимость ЭДС панели от угла падения (при -30 °С и +30 °С)
Из них следует, что при перпендикулярном падении света достигается максимальное значение ЭДС. Это связано с тем, что при прямом падении максимальное поглощение и минимальное отражение солнечного излучения. Именно так достигается высокий КПД солнечных панелей. При увеличении угла по отношению к нормали, проведённой к поверхности солнечной батареи, ЭДС уменьшается. При этом отклонение на 10–20° вызывает уменьшение ЭДС всего на 3 %. Так же в условиях низких температур во всем диапазоне углов ЭДС при -30 °С больше, чем при положительной температуре.
Но стоит принять во внимание тот факт, что Земля имеет форму эллипсоида вращения, и более северные области планеты требуют большего поворота солнечной панели к Солнцу, чем панели, которые установлены в районе экватора.
Также следует принять во внимание то, что на территории севера не всегда ясная безоблачная погода. Для исследования зависимости ЭДС солнечной панели от ее освещённости также был проведен эксперимент. Показания ЭДС солнечной панели замерялись при постоянно низкой и постоянно высокой температуре (-30 °С и 30 °С). Освещенность изменялась с помощью полупрозрачных полиэтиленовых пакетов, имитирующих солнце. Освещенность на поверхности солнечной батареи определялась с помощью люксметра.
Результаты эксперимента представлены на рисунке 4.
Рис. 4. Зависимость ЭДС панели от освещённости (при -30 °С и +30 °С)
Из этих исследований следует, что ЭДС панели пропорциональна освещенности. То есть, значения ЭДС солнечной батареи ниже в облачную погоду — облака частично не пропускают фотоны солнечного потока, которые и дают энергию от солнечной панели. При этом, в случае облачной погоды, освещенность поверхности солнечной батареи, как показывают результаты измерений, равна 250–350 лк. Обратившись к графику на рисунке 4, видим, что при этой освещенности разница в значениях ЭДС между положительной и отрицательной температурами составляет около 10 %. В то же время при больших значениях освещенности (ясная погода), разница в значениях ЭДС между графиками составляет около 20 %.
Таким образом выявлено, что использование солнечных батарей в условиях низких температур будет эффективнее, чем при более высоких, даже при угле падения, отличном от перпендикулярного к площади панели, и в условиях облачной погоды при малых значениях освещенности панели.
Но, тем не менее, остается проблема хранения энергии, которую можно запасать с помощью аккумуляторов, а также хранить с использованием водорода [5].
Литература:
- Энергетический кризис в Европе связан с редким природным явлением [электронный ресурс] — Заголовок с экрана. Режим доступа: https://vz.ru/society/2022/1/30/1140928.html. Дата доступа: 30.01.2022
- Зеркала для ловли солнца. Как в Архангельске создали мобильную электростанцию для Арктики [электронный ресурс] — Заголовок с экрана. Режим доступа: https://tass.ru/v-strane/8294355. Дата доступа: 30.01.2022
- Тлеуов А. Х. Нетрадиционные источники энергии: учебное пособие // Астана: Фолиант, 2009.- 248 стр.
- Как работает солнечная батарея? Виды и устройство [электронный ресурс] — Заголовок с экрана. Режим доступа: https://bezopasnik.info/как-работает-солнечная-батарея-виды-и/. Дата доступа: 30.01.2022
- Хохонов А. А. Технологии хранения водорода. Водородные накопители энергии /А.А Хохонов, Ф. А. Шайхатдинов, В. А. Бобровский, Д. А. Агарков, С. И. Бредихин, А. А. Чичиров, Е. О. Рыбина// Успехи в химии и химической технологии. — 2020. — № 12. — с. 47–52.
