ВсОШ 2023, Заключителен етап, 9–11 клас — Задача 6. 11-E2 · Солнечные батареи

LVI Всероссийская олимпиада школьников по физике · Заключительный этап · Экспериментальный тур · 10 април 2023 г.

Условие

В настоящее время доля солнечных батарей в выработке электроэнергии быстро увеличивается. Это объясняет повышенный интерес к эффективности солнечных батарей и влияющим на неё факторам. Одним из таких факторов является температура. В данной работе предлагается исследовать влияние температуры на эффективность преобразования энергии светового излучения в электрическую энергию для небольшой солнечной батареи.

Перечень оборудования: бокс с фонариком (Ф), солнечной батареей (СБ), элементом Пельтье (П) и разъемами для их подключения (см. рис.), мультиметр, потенциометр с максимальным сопротивлением 10 кОм, регулируемый источник питания для элемента Пельтье, два провода крокодил-крокодил, миллиметровая бумага.

Комментарии к оборудованию

Элемент Пельтье: элемент Пельтье представляет собой термоэлектрический полупроводниковый преобразователь, между двумя поверхностями которого возникает разность температур при протекании через него электрического тока. В данной работе предлагается использовать элемент Пельтье только для нагрева СБ. Контакты элемента Пельтье (красный и черный провода) через специальный разъем подключаются к регулируемому блоку питания. Перед включением питания элемента Пельтье убедитесь, что регулятор напряжения находится в крайнем левом положении.

Фонарик: в качестве источника света используется светодиодный фонарик. Фонарик включается при нажатии кнопки переключателя. Питание фонарика осуществляется от USB ноутбука.

Солнечная батарея: полупроводниковое устройство, преобразующее энергию света в электрическую. При освещении СБ между ее контактами возникает напряжение. Контакты СБ — два провода одинакового цвета с залуженными концами. Их подключение производится с помощью проводов крокодил-крокодил. На боксе приводится номер экспериментальной установки, который необходимо написать в начале работы, а также угловой коэффициент в зависимости напряжения холостого хода $U_{\text{хх}}$ от температуры СБ $(\Delta U_{\text{хх}}/\Delta T)$. Обратите внимание, что с ростом температуры величина $U_{\text{хх}}$ снижается.

Регулирование и определение температуры СБ: Температуру предлагается регулировать при помощи элемента Пельтье посредством изменения напряжения на его выводах. Крепление СБ на поверхность элемент Пельтье осуществляется с помощью хорошо проводящего тепло термоскотча. Для определения температуры СБ используется линейность зависимости напряжения холостого хода от температуры $U_{\text{хх}}(T)$ (за $U_{\text{хх}}$ принимается напряжение на СБ при разомкнутых контактах и включенном фонарике) в диапазоне температур от $-10\,{}^\circ\mathrm{C}$ до $+70\,{}^\circ\mathrm{C}$. Если при включении фонарика напряжение $U_{\text{хх}}$ ниже 0,5 В обратитесь к дежурному.

Задание

1. Изменяя сопротивление нагрузки (потенциометра) при температуре помещения, исследуйте зависимость мощности СБ, отдаваемой во внешнюю цепь, от сопротивления нагрузки $P(R)$. Приведите график этой зависимости (не менее 15 точек). Определите максимальную мощность. Температура в помещении будет задана дополнительно. Порядок измерений следующий:

• при выключенном фонарике установите определенное сопротивление потенциометра,
• включите фонарик и как можно быстрее произведите измерение,
• после измерения напряжения сразу выключите фонарик.

Если фонарик не выключать, то будет происходить дополнительный нагрев СБ.

2. Исследуйте зависимость максимальной мощности СБ, отдаваемой во внешнюю цепь, от температуры СБ (не менее 4-х значений температуры, включая комнатную). Постройте график зависимости максимальной мощности СБ от температуры $P_{max}(T)$. Графики зависимости мощности от сопротивления нагрузки для отдельных серий измерения (как в п.1) строить не обязательно. Необходимое количество точек для нахождения $P_{max}(T)$ определите самостоятельно. Приведите использованные экспериментальные данные. Изменение температуры должно осуществляться путем изменения напряжения на элементе Пельтье. Имейте в виду, что равновесная температура при заданном напряжении устанавливается довольно долго (до 20 минут). Об установлении равновесия можно судить по прекращению значимых изменений напряжения холостого хода СБ $(U_{\text{хх}})$. Если вы после измерений при высоких температурах захотите повторить измерения при более низкой температуре, охлаждение также может занять значительное время. Учитывайте это, планируя эксперимент. Рекомендуемый диапазон изменения напряжения на выводах элемента Пельтье от 3 В до 6 В. Примерное значение напряжения отображается на блоке питания элемента Пельтье. Не превышайте рекомендуемое напряжение! В противном случае элемент Пельтье может выйти из строя. Замена элемента не предусмотрена.

3. В линейном приближении определите угловой коэффициент зависимости $P_{max}(T)$.

4. В предложенной ниже таблице приведены средние дневные температуры в Сочи и в Чите за период весна-лето и суммарные инсоляции тех же городов за тот же период времени. Под инсоляцией в данном случае понимается суммарная энергия солнечного излучения, приходящаяся на единицу площади (за определенный период). Предположим, что в Сочи и в Чите расположены две одинаковые СБ, которые используются оптимальным способом. Найдите отношение энергий, которые вырабатываются этими батареями в Сочи и в Чите за период с марта по август. Считайте, что вырабатываемая энергия СБ при заданной температуре прямо пропорциональна инсоляции. Используйте данные таблицы и результаты ваших измерений зависимости максимальной мощности СБ от температуры, эту зависимость считайте линейной в рассматриваемом диапазоне температур. Приведите формулы, которые вы использовали для вычислений. Сравните отношение энергий с отношением суммарных инсоляций.

Решение

Покажи официалното решение

Оригинал в Архива: Ru23-E.pdf