البطارية الشمسية هي جهاز لتحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء. الخلايا الشمسية عالية الأداء التي يمكنك شراؤها من راديو شاك والمتاجر الأخرى مصنوعة من السيليكون المعالج خصيصًا وتتطلب مصانع ضخمة ودرجات حرارة عالية وتنظيفًا خاصًا والكثير من المال.
إذا كنا على استعداد لمقايضة الكفاءة بالقدرة على صنع الألواح الشمسية الخاصة بمطبخنا باستخدام مواد متجر الأجهزة، فيمكننا عرض لوحة شمسية عاملة في حوالي ساعة.
تتكون خليتنا الشمسية من أكسيد النحاس بدلاً من السيليكون. ويعد أكسيد النحاس من أولى المواد التي اكتشف فيها العلماء التأثير الكهروضوئي، حيث يتسبب الضوء في تدفق الكهرباء في المادة.
إن الأفكار حول كيفية تفسير التأثير الكهروضوئي هي التي قادت ألبرت أينشتاين إلى جائزة نوبل في الفيزياء وإلى النظرية النسبية.
مواد.
1. لوح من النحاس من متجر لاجهزة الكمبيوتر. عادة ما يكلف حوالي 150 روبل. ل 0.9 متر مربع نحتاج حوالي 45 سم مربع.
2. مشبكين من جلد التمساح.
3.مقياس ميكرومتر حساس يمكنه قياس الفواصل الزمنية بين 10 و50 ميكروأمبير. يبيع راديو شاك أجهزة قياس متعددة صغيرة مزودة بشاشة LCD، ولكن يمكنك استخدام جهاز عادي.
4. فرن كهربائي. موقد المطبخ الخاص بي عبارة عن موقد غاز، لذلك اشتريت موقدًا كهربائيًا صغيرًا بملف واحد مقابل حوالي 750 روبل روسي. ربما لن تعمل الشعلات الصغيرة بقدرة 700 واط - يستغرق الأمر 1100 واط على الأقل حتى يتحول لون الموقد إلى اللون الأحمر.
5. زجاجة بلاستيكية مع قطع الرقبة. لقد استخدمت زجاجة مياه معدنية سعة 2 لتر.
6. ملح الطعام. سنحتاج إلى ملعقتين كبيرتين.
7. اضغط على الماء.
8. ورق الصنفرة أو الحفر باستخدام هذا المرفق (المادة الكاشطة)
9. الصفائح المعدنية.
تصنيع.
هنا الموقد.
تحتاج أولاً إلى قطع قطعة من النحاس بحيث تكون بحجم الموقد الكهربائي. اغسل يديك حتى لا تترك بقع دهنية أو غيرها. اغسل أيضًا الصفيحة النحاسية بمنظف لإزالة أي شحوم أو بقع أخرى، واستخدم ورق الصنفرة أو فرشاة كاشطة لإزالة الطبقة الواقية من النحاس تمامًا بحيث تتم إزالة أي كبريتيد أو أي تآكل خفيف آخر.
ثم ضع صفيحة نحاسية نظيفة على الموقد (الكهربائي) وقم بتشغيله إلى الحد الأقصى.
سيبدأ النحاس في التسخين والأكسدة، وسترى بقعًا حمراء برتقالية جميلة على سطحه.
عندما يسخن النحاس أكثر، سيتم استبدال البقع متعددة الألوان بأكسيد النحاس الأسود.
تختفي جميع الألوان عندما يكون اللولب أحمر بالفعل.
عندما يتوهج الموقد، سيتم طلاء صفيحة النحاس بأكسيد النحاس الأسود. اتركه يطهى لمدة نصف ساعة أخرى حتى يصبح الطلاء الأسود سميكًا. يعد هذا أمرًا مهمًا لأن الطبقة السميكة ستتقشر بسهولة بينما تظل الطبقة الرقيقة ملتصقة بالنحاس.
بعد نصف ساعة من الطهي، أطفئ الموقد. اترك النحاس الساخن على الموقد ليبرد ببطء. إذا قمت بتبريده بسرعة كبيرة، فسوف تلتصق طبقة أكسيد سوداء بالنحاس.
عندما يبرد النحاس، فإنه ينكمش. وينكمش أكسيد النحاس الأسود أيضًا. لكنها تتقلص بمعدلات مختلفة، مما يتسبب في تقشر أكسيد النحاس الأسود.
قريبا ستبدأ القطع الكبيرة في التساقط، ومن المضحك مشاهدتها))
بمجرد أن يبرد النحاس إلى درجة حرارة الغرفة (يستغرق هذا حوالي 20 دقيقة)، ستختفي معظم طبقة الأكسيد الأسود. سيؤدي الفرك الخفيف بيديك تحت الماء الجاري إلى إزالة معظم القطع الصغيرة. لا تحاول إزالة البقع العنيدة ولا تثني الورقة - فقد تتلف الطبقة الرقيقة من أكسيد النحاس، وهو ما نحتاجه بالضبط.
بقية التجميع سريع وسهل للغاية.
اقطع الطبقة الثانية من النحاس بنفس حجم الطبقة الأولى (المسخنة)، ثم قم بثني كلا الجزأين بعناية بحيث يتناسبان مع الزجاجة البلاستيكية دون ملامسة بعضهما البعض.
إرفاق مقاطع التمساح لكلا اللوحين. قم بتوصيل السلك من النحاس النقي إلى الموجب، والسلك من لوحة الأكسيد إلى السالب.
الآن قم بخلط ملعقتين كبيرتين من الملح في القليل من ماء الصنبور الساخن. يقلب حتى يذوب كل الملح. صب الخليط بعناية في الزجاجة (حيث توجد الأطباق)، مع ترك حوالي 2.5 سم من حواف الأطباق.
في الصورة أعلاه، البطارية الشمسية النهائية موجودة في الظل، ويظهر مقياس التيار الكهربائي حوالي 6 مللي أمبير، ولكن حتى في الظلام، ستنتج هذه البطارية عدة مللي أمبير))
تظهر هذه الصورة البطارية في الضوء، ويظهر مقياس التيار الكهربائي 34 مللي أمبير، وأحيانًا يمكن أن تعطي البطارية 50 مللي أمبير، أو أكثر.
كيف تعمل؟
أكسيد النحاس هو أشباه الموصلات.وهو موصل وسيط، حيث يمكن أن تتدفق الكهرباء بحرية، وعازل، حيث ترتبط الإلكترونات بإحكام بذراتها ولا تتدفق بحرية.
في أشباه الموصلات، هناك فجوة تسمى فجوة النطاق بين الإلكترونات المرتبطة بإحكام بالذرة والإلكترونات البعيدة عن الذرة، والتي يمكنها التحرك بحرية وتوصيل الكهرباء.
لا يمكن للإلكترونات أن تبقى في فجوة النطاق. لا يمكن للإلكترون أن يعطي سوى القليل من الطاقة وينتقل من نواة الذرة إلى فجوة النطاق. يجب أن يكتسب الإلكترون طاقة كافية للانتقال بعيدًا عن النواة، خارج فجوة النطاق.
وبالمثل، لا يمكن للإلكترون الموجود خارج فجوة النطاق أن يفقد القليل من الطاقة ولا يقع إلا بالقرب من النواة قليلًا. يجب أن تفقد ما يكفي من الطاقة لتتجاوز فجوة النطاق إلى المنطقة التي يمكن للإلكترونات الهروب منها.
عندما يضرب ضوء الشمس إلكترونات في أكسيد النحاس، تتلقى بعض الإلكترونات طاقة كافية من ضوء الشمس لتتجاوز فجوة النطاق وتصبح حرة لتوصيل الكهرباء.
تنتقل الإلكترونات الحرة إلى الماء المالح، ثم إلى اللوحة النحاسية النظيفة، وإلى السلك، عبر الأميتر، ثم تعود إلى اللوحة المؤكسدة.
عندما تتحرك الإلكترونات عبر مقياس التيار الكهربائي، نرى الشغل (الأمبير). عندما يقع الظل على لوحة شمسية، تتحرك الإلكترونات بشكل أبطأ وتكون المللي أمبير أقل.
ملاحظة حول الطاقة.
تنتج البطارية 50 ملي أمبير عند 0.25 فولت.
هذا هو 0.0000125 واط (12.5 ميكروواط).
لا تحاول إضاءة المصباح الكهربائي))) سوف يستغرق الأمر فدانًا من البطاريات لإضاءة المنزل. نموذجنا تجريبي ويمكن استخدامه كجهاز استشعار للضوء.
0.0000125 واط (12.5 ميكروواط) لبطارية 0.01 متر مربع، أو 1.25 مللي واط لكل متر مربع.لإضاءة مصباح بقدرة 100 واط، سيتطلب الأمر 80 ألف متر مربع من أكسيد النحاس للجانب المضاء بنور الشمس، و80 ألف متر مربع من النحاس للقطب المظلم. لتشغيل فرن بقدرة 1000 واط، ستحتاج إلى 800000 متر مربع من أكسيد النحاس، و800000 متر مربع أخرى من النحاس العادي، أو 1600000 متر مربع معًا. ولو تم تركيبه على سطح منزل، فسيكون طول كل منزل 282 مترًا وعرضه 282 مترًا، مع الأخذ في الاعتبار كل ما يحتاجون إليه من كهرباء، كان هناك موقد واحد.
هناك 17,222,256.7 قدم مربع في 1,600,000 قدم مربع. إذا كانت تكلفة تغطية النحاس 5 دولارات للقدم المربع، فإن النحاس وحده سيكلف 86,110,283.50 دولارًا أمريكيًا. القيام بذلك بمقدار عُشر السُمك يمكن أن يقلل هذا إلى 8,611,028.35 دولارًا. نظرًا لأنك تشتري بكميات كبيرة، فيمكنك الحصول عليه بنصف هذا المبلغ، أو حوالي 4,300,000.00 دولار.
إذا كنت تستخدم الألواح الشمسية المصنوعة من السيليكون بتكلفة 4 دولارات لكل واط، فيمكنك تشغيل نفس الفرن مقابل 4000.00 دولار. لكن مساحة الألواح ستكون حوالي 10 أمتار مربعة فقط.
أو يمكنك بناء فرن شمسي من رقائق الألومنيوم والكرتون مقابل دولار واحد تقريبًا. مقابل 20 دولارًا تقريبًا، يمكنك بناء طباخ شمسي مكافئ مصنوع من الألومنيوم وقابل للتلميع.
خلية شمسية مسطحة
لقد صنعت نسخة محمولة أكثر من الألواح الشمسية بتصميم مسطح. لقد استخدمت غطاء قرص مضغوط بلاستيكيًا شفافًا كنافذة وغراء سيليكون لتثبيت القطع معًا وعزلها عن بعضها البعض.
أولاً نصنع أكسيداً من النحاس كما في الجزء الأول، ونلحم سلكاً نحاسياً معزولاً إلى زاوية صفيحة الأكسيد، وسيكون هذا سالباً (قطباً سالباً).
اللوحة الإيجابية عبارة عن قطعة من النحاس النقي على شكل حرف U، أكبر قليلاً من حجم الأكسيد (سوف تفهم كيف في الصور أدناه))) نقوم بلحام سلك في زاويتها، وهذه المرة زائد.
أولاً نقوم بلصق اللوحة النحاسية U على النافذة البلاستيكية. استخدم الكثير من غراء السيليكون حتى لا يتسرب الماء المالح من خلاله. تأكد من تغطية وصلة اللحام بالكامل بالغراء، أو خارج الغراء U كما هو موضح في الصورة (يفضل أن تكون مغطاة بالكامل بالغراء).
الصورة أدناه توضح الجانب الخلفي من اللوحة الشمسية (الجانب الذي لا يواجه الشمس).
الصورة أدناه توضح الجانب الأمامي من اللوحة الشمسية (الجانب الذي سيواجه الشمس). لاحظ أن غراء السيليكون لا يغطي النحاس بالكامل، لأن بعض النحاس يجب أن يكون في النهاية ملامسًا للمياه المالحة.
ضع الغراء على طبق من النحاس النقي. ستعمل هذه الطبقة كعازل بين لوحة النحاس النقي ولوحة الأكسيد، ويجب أن تكون سميكة بما يكفي لترك مساحة صغيرة للمياه المالحة. مرة أخرى، ليس كل النحاس مطليًا، لذلك سيكون هناك الكثير من النحاس الملامس للماء.
قم بلصق لوحة الأكسيد بعناية على هذه الطبقة. يجب أن تضغط بقوة كافية للتأكد من أن الغراء يحيط بأي فجوات، لكن ليس بقوة بحيث يتلامس اللوحين.
الصورة أدناه توضح الجانب الخلفي من اللوحة الشمسية (الجانب الذي لا يواجه الشمس).
الصورة أدناه توضح الجانب الأمامي من اللوحة الشمسية (الجانب الذي سيواجه الشمس).لاحظ أنني أضفت غراءًا إضافيًا لتشكيل الأنبوب في الأعلى ليشبه صب الماء المالح.
لا تظهر الصورة الطبقة الإضافية من الغراء حول المحيط لمنع تسرب الماء، ولكن عليك القيام بذلك. دع الغراء يجف قبل الانتقال إلى الخطوة التالية.
بعد ذلك، استخدم قطارة كبيرة لإضافة الماء المالح. املأ البطارية حتى أعلى اللوحة النحاسية تقريبًا حتى يتدفق الماء تقريبًا. ثم أغلق الحفرة بقطرة من الغراء واترك الغراء يجف لمدة نصف ساعة على الأقل.
في الصورة أعلاه يمكنك رؤية اللوحة الشمسية المسطحة وهي تعمل في ضوء الشمس الساطع. يعطي حوالي 36 ميكروأمبير. يمكنك أيضًا رؤية حبة إضافية من الغراء حول حواف الألواح وملء الجزء العلوي من الأنبوب.
وأخيرا، في صورة أخرى هناك ظل المؤلف. لاحظ أن مقياس التيار يقرأ الآن ما يقرب من 4 ميكروأمبير نظرًا لعدم تسليط ضوء الشمس عليه.
