АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ПРОСВЕТЛЯЮЩЕГО ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ НАНОЧАСТИЦ СЕРЕБРА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ

Введение. Традиционные источники энергии, такие как газ, нефть, уголь, истощаются с каждым годом все сильнее, в то время как потребление энергии растет из-за увеличения численности населения, использования электроники. При этом также при использовании данных источников энергии вопрос экологии в современном мире стал одним из самых первых [1–3]. При сокращении земных запасов энергоресурсов цена за 1 кВт растет с каждым годом. Сложившаяся атмосфера нуждается в поиске новых энергоресурсов – альтернативных источников энергии, одним из которых является солнце. Поэтому развитие индустрии солнечных элементов в настоящее время является возможностью заменить уже существующие источники солнечными батареями с высокой производительностью.

Экспериментальная часть. Солнечные элементы представляют собой источник электрической мощности (произведение тока I на напряжение U). Следовательно, для анализа работы такого элемента необходимо знать напряжение и ток. Основной интерес представляют значения I и U в зависимости от освещенности. По этой причине важной является вольт-амперная характеристика солнечного элемента. Для исследования вольт-амперной характеристики (ВАХ) собираем   электрическую схему (рис.1).

Рисунок 1. Схема измерения напряжения ВАХ солнечной батареи.

К числу важнейших характеристик солнечного элемента относятся напряжение холостого хода U_ХХ – разность потенциалов между выходными клеммами солнечного элемента, возникающая при освещении в отсутствие нагрузки. В этом случае ток равен нулю.

Ток короткого замыкания I_КЗ – протекает через солнечный элемент при его освещении, если замкнуть выходные клеммы солнечного элемента.

В крайних точках ВАХ мощность солнечного элемента равна нулю. На ВАХ существует точка (U_mI_m) максимум выходной мощности солнечного элемента. Эта точка называется рабочей.

Результаты и их обсуждение. В ходе реализации первого этапа эксперимента нами была проведена оценка основных параметров солнечной батареи до модификации. Для построения нагрузочной вольт-амперной характеристики при постоянной освещенности (), которая измерялась люксметром, замерили величину тока  в цепи фотоэлемента при изменении  от 0 до 1500 Ом. Результаты занесли в таблицу 3.1.

Таблица 1.

Оценка основных параметров солнечной батареи до модификации

На основе экспериментальных данных нами был построен график зависимости силы тока от напряжения (рис. 2)

Рисунок 2. Вольт-амперная характеристика солнечного элемента до модификации.

Анализ полученного графика показывает, что солнечный элемент до модификации имеет следующие параметры:

Напряжение холостого хода (U_xx) – 4,5 В;

Ток короткого замыкания (I_кз) – 13,8 mА

Напряжение максимальной мощности (U_m) – 2,0

Ток максимальной мощности (I_m) – 11,3 mА

Полученная вольт-амперная характеристика позволяет рассчитать максимальную мощность солнечной батареи, которая равна площади заштрихованного прямоугольника на рисунке 3.1. Площадь данного прямоугольника можно найти по формуле (W, Вт):

W = I_m*U_m

W = 11,3*10^-3*2 = 0.0226 (Вт)

Полученные данные на основе ВАХ позволили рассчитать нам КПД исследуемой солнечной батареи.

Таким образом, нами была проведена оценка исходных параметров солнечной батареи используемой в быту для садового освещения. КПД данной батареи лежит в пределах 20 – 23 % , что соответствуют литературным данным.

Для повышения эффективности солнечной батареи в рамках эксперимента нами использовалось просветляющие покрытие на основе наночастиц серебра. Функциональные особенности данных покрытий обусловлены понижением отражающего эффекта. Данное покрытие нами получалось методом золь-гель технологии. В качестве источника наночастиц серебра нами использовался нитрат серебра, восстановитель – аскорбиновая кислота, а полимерной основой – поливиниловый спирт [4, 5]. Механизм восстановления ионов серебра, протекает по следующей реакции:

Функциональные особенности просветляющих покрытий обусловлены

После модификации нами были проанализированы основные параметры солнечной батареи и проведен сравнительный анализ с исходными данными.

Полученные экспериментальные данные занесены в таблицу 2.

Таблица 2.

Основные параметры солнечной батареи после модификации

На основании полученных экспериментальных данных была построена ВАХ для модифицированной СБ (рис. 3.)

Рисунок 3. Вольт-амперная характеристика солнечного элемента после модификации.

Анализ полученного графика показывает, что солнечный элемент после модификации имеет следующие параметры:

Напряжение холостого хода (U_xx) – 5,5 В;

Ток короткого замыкания (I_кз) – 14,5 mА

Напряжение максимальной мощности, (U_m) – 2,4

Ток максимальной мощности, (I_m) – 13,2 mА

Полученная вольт-амперная характеристика позволяет рассчитать максимальную мощность солнечной батареи, которая равна площади заштрихованного прямоугольника на рисунке 3.3.

W = 13,2*10^-3*2,4 = 0.03168 (Вт)                    (3.8)

В соответствии с полученными данными был рассчитан КПД солнечной батареи после модификации

Выводы. Таким образом, в ходе исследования была произведена оценка исходных параметров солнечной батареи, которая позволила оценить ее КПД. Исходное значение КПД солнечной батареи лежит в пределах от 20-25%, что соответствует литературным данным.

В рамках эксперимента было получено просветляющие покрытие на основе пленочного композитного материала типа ПВС/Аg. Данное покрытие способствует уменьшению отражающей способности поверхности солнечной батареи.

Для оценки влияния просветляющего покрытия на изменение параметров солнечной батареи, была проведена оценка ее основных параметров, на основе полученных данных поизвели расчет КПД солнечной батареи после модификации. Анализ полученных данных показал, что произошло увеличение КПД солнечной батареи на 9,46%, что позволяет сделать вывод об эффективности, полученного покрытия.

Список литературы:

1. Гадомский О.Н., Алтунин К.К., Ушаков Н.М., Кособудский И.Д., Подвигалкин В.Я., Кульбацкий Д.М. Высокоэффективные просветляющие наноструктурные оптические покрытия для солнечных элементов [электронный ресурс] //Журнал технической физики, 2010, том 80, вып. 7. С.83-89 – Режим доступа. – URL: http://met.misis.ru/jour/article/ download/112/105 (дата обращения: 29.05.2016).

2. Крутяков, Ю.А. Синтез и свойства наночастиц серебра: достижения и перспективы / Ю.А. Крутяков и др. // Успехи химии. 2008. 77(3). С. 242 -265.

3. Сулейманов С.Х., Дыскин В.Г., Джанклыч М.У., Кулагина Н.А.Эффективное просветляющее покрытие для солнечных элементов на основе сплава окислов TiO₂ и SiO₂ // Письма в ЖТФ, 2013, том 39, вып. 6. С. 74-78. [электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: http://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/12836 (дата обращения: 29.05.2016).

4. Фарус, О.А. Анализ структуры поверхности волокнистых композиционных материалов типа ЛМ/Ag⁰ и оценка возможности их использования в качестве антибактериальных материалов / О.А. Фарус // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 7, №5 (2015) [электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: http://naukovedenie.ru/PDF/74TVN515.pdf (дата обращения: 29.05.2016).

5. Фарус О.А. Исследование влияния типа катализатора на процессы гелеобразования золь-гель систем на основе тетраэтоксисилана // Интернет-журнал «Науковедение» Том 7, №4 (2015) [электронный ресурс] - Режим доступа. – URL: http://naukovedenie.ru/PDF/64TVN415.pdf (дата обращения: 29.05.2016).