Історія фізики в Україні

Природознавство, і фізика, як його складова частина, почало складатися в Україні з виникненням перших університетів, серед яких провідне місце займала Могилянська академія. Із середини 19-го століття почали закладися університетські фізичні факультети, як в межах царської Росії, так і на теренах Австро-Угорської імперії. Початок двадцятого століття став свідком розвитку значного числа науково-дослідних інститутів, серед яких слід особливо відзначити Харківський Фізико-технічний інститут, Інститут фізики, Інститут теоретичної фізики. В Україні працювали такі визначні фізики, як Микола Боголюбов, Олександр Давидов та багато інших.

Розділ 1. Сонячні батареї

1.1 Сонячний елемент

По будові сонячний елемент схожий на бутерброд, що складається з двох напівпровідникових пластинок. У зовнішній n-пластинці надлишок електронів. У внутрішній р-пластинці – їх недолік. Фотон, потрапляючи в n-пластинку, будить електрон, що дрімає в ній, приблизно так само, як промінь світла, потрапляючи на обличчя, будить сплячу людину. Електрон переходить в р-пластину – це рух і створює електричний струм. Майбутнє сонячної енергетики експерти пов’язують з вдосконаленням матеріалів для цих двох шарів. Найбільш перспективними сьогодні представляються аморфний і мікрокристалічний кремній, який виведе створення сонячних елементів на принципово інший рівень.

Втім, кремнієві пластини як технологія вже застарівають, з аморфного і мікрокристалічного кремнію можна вирощувати дуже тонкі плівки, товщина яких вимірюється нанометрами. Дві такі плівки, обложені одна поверх іншої на скло, є фотогальванічним елементом, що володіє високою електричною провідністю і що зберігає свої властивості при тривалому використанні. Проте технологія, яка дозволила б випускати такі сонячні елементи «на потоці», ще не створена. Як вважають в Дослідницькому центрі міста Юліх (Німеччина), їм залишився всього один крок, щоб вивести виробництво нових сонячних батарей з лабораторій в промисловість. Звичайні сонячні елементи з кремнію створюють окремо і вже потім об’єднують в батареї. У випадку з тонкими плівками все навпаки: спочатку вирощують плівку великого майдану, накладають її на скло разом з іншими необхідними шарами, ріжуть лазером на смужки і потім сполучають електричними контактами. Ученим з Юліха удалося відпрацювати процес масового здобуття модулів майданом 30х30 см з ККД, близьким до 10%, а з такими параметрами вже можна чекати покупців на технологію. Зараз сонячні елементи, що промислово випускаються, стоять приблизно по 300 євро за 100 ватів електричної потужності. Тонкоплівкова технологія дозволить через 5-10 років понизити вартість удвічі, а через 15 – втричі.

1.2 Принцип роботи сонячної батареї

Напівпровідникові фотоелектричні елементи, що працюють на принципі перетворення світлової енергії сонячного випромінювання безпосередньо в електрику називають сонячними батареями.

Схема роботи кремнієвої сонячної батареї:

1 - чистий монокристалічний кремній; 2 - «забруднений» кремній; 3 – акумулятор.

Тонка пластина складається з двох шарів кремнію з різними фізичними властивостями. Внутрішній шар являє собою чистий монокристалічний кремній. Зовні він покритий дуже тонким шаром «забрудненого» кремнію, наприклад з домішкою фосфору. Після опромінення такої «вафлі» сонячними променями між шарами виникає потік електронів і утворюється різниця потенціалів, а в зовнішньому ланцюзі, що з'єднує шари, з'являється електричний струм.

При цьому генерується постійний струм. Енергія може використовуватися як напряму різними навантаженнями постійного струму, запасатися в акумуляторних батареях для подальшого використовування або покриття пікового навантаження, а також перетворюватися в змінний струм напругою 220 В для живлення різного навантаження змінного струму.

Вживання сонячних батарей стає ефективним при об'єднанні їх в єдину систему з такими пристроями, як акумулятори, контролери, інвертування.

Робота сонячних елементів полягає в явищі внутрішнього фотоефекту, що вперше був досліджений в 1839 р. ученим на ім'я Едмон Беккерель. Дане відкриття продовжило свій розвиток в 1873г., В час, коли Уїллоубі Сміт виявив подібний ефект при опроміненні світлом селенової пластини. І лише в 20-му столітті (початок 50-х р.) сонячні елементи досягли досить високого рівня своєї досконалості завдяки відкриттю нових матеріалів. Пристрій сонячної батареї (найпростішого фотоелемента) та основні принципи дії такі: у нас є звичайний н апівпровідник, а саме - дві пластини приєднані одна до одної. Вони зроблені з кремнію з додаванням в кожну з них певних домішок. Це дозволяє отримати елементи з потрібними властивостями, тобто - перша пластина володіє надлишком валентних електронів, друга ж, навпаки, їх нестачею. У підсумку, шар «n» і «p». Намежі зіткнення даних пластин існує зона замикаючого шару. Ця зона протидіє своїми електричними полями переходу надлишкових електронів з шару «n» у шар «p», де даних електронів не вистачає (місця з відсутніми електронами називають дірками). Якщо підключити до подібного напівпровідника зовнішнє джерело живлення («» до «p» і «-» до «n»), то зовнішнє електричне поле змусить електрони подолати замикаючу зону і через провідник потече електричний струм. Щось подібне відбувається і при впливі сонячного випромінювання на наш напівпровідник. Коли фотон світла влітає в шари «n» і «p», він передає свою енергію електронам (що знаходяться на зовнішній оболонці атомів), тим самим розбиваючи атом на електрони і протони (в яких народжується дірка - місце відсутнього електрона). Далі, електрони з отриманою енергією вільно долають замикаючий шар напівпровідника і переходять із шару «p» у шар «n», а дірки, навпаки, переходять їх «n» у шар «p». Цьому переходу електронів з області «p» в область «n» і дірок з області «n» у область «p», також сприяють електричні поля (позитивних зарядів, що знаходиться в зачиняючей зоні «n» провідника і негативних - в зоні «p »), які ніби втягують в себе, одні - електрони, інші - дірки. У результаті, шар «n» получає додатковий негативний заряд, а «p» - позитивний. Результатом цього явища буде поява в напівпровіднику різниці потенціалів між двома пластинами - дорівнює близько 0.5 В. Сила електричного струму в сонячному елементі буде змінюватися пропорційно кількості захоплених поверхнею фотоелемента фотонів. Цей показник, у свою чергу, також буде залежати від безлічі додаткових чинників - це інтенсивність світлового випромінювання, площа, що має фотоелемент, часу експлуатації, ККД пристрою, що залежить від температури (при її підвищенні, провідність фотоелемента значно падає). Виходячи з вищесказаного можна стверджувати наступне: сонячні елементи (фотоелементи, батареї) не здатні видавати надвеликі потужності (займаючи при цьому малі площі для своєї роботи), вони не можуть працювати в безперервному режимі (через природної зміни дня і ночі), для підтримування необхідних і постійних значень (стабілізації) основних параметрів - сили струму і напруги, з'являється необхідність у використанні додаткових пристроїв (стабілізатори, акумулятори ...). Але на роль додаткового джерела електроенергії, вони цілком годяться. Вони чудово можуть використовуватися в тих місцях, де потрібні невеликі потужності і немає можливості підключитися до міської електромагістралі. При об'єднанні принципу роботи сонячного елемента і електричного акумулятора, виходить повністю автономна система електропостачання, яку можна використовувати в регіонах з гарною освітленістю і потребами в малих електричних потужностях.

Список використаної літератури

1. Дероган Д.В., Щокін А.Р. Перспективи використання енергії та палива в

Україні з нетрадиційних та відновлюваних джерел.//Бюл. "Новітні

технології в сфері нетрадиційних і відновлюваних джерел енергії", Київ:

АТ "Укренергозбереження",1999.- №2, - С.30-38.

2. http://www.bestreferat.ru/referat-169854.html

3. http://www.ukrreferat.com/index.php?referat=35553&pg=3

4. http://referatwork.ru/refs/source/ref-114774.html

5. http://referats.allbest.ru/physics/8700239895.html

6. http://www.proelectro.info/content/detail/4466

7. http://netreferata.com/ukr/referat-224.html