Өсербай Балауса Оразалықызы

6В01511-физика мұғалімдерін даярлау, білім беру мекемесінің 3 курс студентті

Ғылыми жетекшісі: математика, физика және информатика кафедрасының

профессоры,PhD Айдарханова Айнаш Казбековна

Ш.Уәлиханов атындағы Көкшетау университеті, Көкшетау қ.

«ЭНЕРГИЯНЫҢ ТҮРЛЕНУ ЗАҢЫ: КҮНДІ ЭЛЕКТР ҚУАТЫНА АЙНАЛДЫРУ »

АҢДАТПА

Бұл мақаланың мақсаты-күн энергиясын электр энергиясына тікелей түрлендіретін күн батареяларының жұмыс істеу принципін энергияның сақталу заңы мен Эйнштейннің сыртқы фотоэффект теориясы тұрғысынан қарапайым және түсінікті түрде түсіндіру болып табылады. Зерттеудің негізгі назары фотон энергиясының жартылай өткізгіш материалдағы p-n өткесінде электр тогына айналу механизміне бағытталған. Күн батареяларының құрылымы, олардың жұмыс істеу реті және түрлендірудің шектеулі тиімділігіне әсер ететін факторлар (жарықтың шағылысуы, энергияның жылуға айналуы) талқыланады. Қорытындыда бұл технологияның қазіргі мәселелері мен болашақтағы даму перспективалары қарастырылады.

Кілт сөздер: энергияның сақталу заңы, фотоэффект, күн батареясы, фотон, p-n өткес, түрлендіру тиімділігі.

«ЗАКОН ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ: ПРЕВРАЩЕНИЕ СОЛНЦА В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ МОЩНОСТЬ»

АННОТАЦИЯ

Цель данной статьи-просто и доступно объяснить принцип работы солнечных батарей, преобразующих энергию Солнца непосредственно в электричество, с точки зрения закона сохранения энергии и теории внешнего фотоэффекта Эйнштейна. Основное внимание исследования сосредоточено на механизме превращения энергии фотонов в электрический ток в p-n переходе полупроводникового материала. Обсуждаются устройство солнечных элементов, последовательность их работы и факторы, влияющие на ограниченную эффективность преобразования (отражение света, рассеяние энергии в виде тепла). В заключении рассматриваются современные проблемы этой технологии и перспективы её будущего развития.

Ключевые слова: закон сохранения энергии, фотоэффект, солнечная батарея, фотон, p-n переход, эффективность преобразования.

«THE LAW OF ENERGY TRANSFORMATION: CONVERTING SUNLIGHT INTO ELECTRIC POWER »

ANNOTATION

The purpose of this article is to provide a simple and clear explanation of the operating principle of solar panels, which convert solar energy directly into electricity, from the perspective of the law of conservation of energy and Einstein's theory of the external photoelectric effect. The main focus of the research is on the mechanism of converting photon energy into electric current in the p-n junction of a semiconductor material. The structure of solar cells, their operational sequence, and the factors affecting the limited conversion efficiency (light reflection, energy dissipation as heat) are discussed. In conclusion, the current challenges and future development prospects of this technology are considered.

Keywords: law of conservation of energy, photoelectric effect, solar cell, photon, p-n junction, conversion efficiency.

1. Кіріспе

Энергия-барлық процестердің қозғаушы күші. Қазіргі заманғы өмірде электр энергиясына сұраныс үнемі өсіп келеді. Дәстүрлі отын көздері (көмір, мұнай, газ) табиғи ресурстардың шектеулілігі және экологиялық мәселелері себепті альтернативтік энергия көздерін іздестіру қажеттілігін туғызды. Осындай таза және қайта жаңырылатын көздердің ішінде Күн энергиясы ең перспективалы болып табылады. Күн батареялары (фотоэлементтер) күн сәулесін тікелей электр тогына айналдырады. Бұл процесс энергияның түрлену заңының іс жүзіндегі ең айқын үлгісі болып табылады. Осы мақаланың мақсаты-күн энергиясын электр энергиясына түрлендірудің физикалық негіздерін, дәлірек айтқанда фотоэффект құбылысын және энергияның сақталу заңын қарапайым түрде түсіндіру.

2. Негізгі бөлім

2.1. Теориялық негіздер: Екі негізгі заң

а) Энергияның сақталу және түрлену заңы. Бұл табиғаттың іргелі заңдарының бірі. Ол энергия жойылмайды және жойылып та болмайды, ол тек бір түрден екінші түрге ауысады деп тұжырымдайды. Күн батареясы мына тізбекті орындайды:

Күннің ядролық энергиясы ➙Жарық (фотон) энергиясы➙Электронның кинетикалық энергиясы➙Электр тогының энергиясы.

ә) Сыртқы фотоэффект (Эйнштейн теңдеуі, 1905 ж.). Бұл құбылыс-жарықтың әсерінен заттан электрондардың шығуы. [1,15б.] Эйнштейн оны түсіндіру үшін жарықтың бөлшектерден (кванттардан немесе фотондардан) тұрады деген ұсыныс жасады. Әрбір фотонның энергиясы оның жиілігіне (түсіне) тәуелді: E = hν, мұндағы h-Планк тұрақтысы, ν-жарық толқынының жиілігі.

Фотон жартылай өткізгіш материалдың (мысалы, кремний) атомына соғылған кезде, ол өз энергиясын электронға береді. Егер бұл энергия электронды атом байланысынан босатуға жетсе (A-шығу жұмысы), онда электрон бос болады және қозғала бастайды:

hν = A + (mυ²)/2

Бұл Эйнштейн теңдеуі. Онда (mυ²)/2 – электронның кинетикалық энергиясы. Бос электрондар материал ішінде реттелген қозғалыс жасаса (электр өрісінің әсерінен), тог пайда болады.

2.2. Күн батареясының құрылымы және жұмыс принципі

Қарапайым кремнийлі фотоэлемент екі қабаттан тұрады:

n-типі (теріс)-көптеген бос электрондар бар.

p-типі (оң)-электрондардың жетіспеушілігі бар.Осы екі қабаттың шекарасында p-n өтпесі қалыптасады.

2.3. Күн батареяларының жұмыс істеу механизміp-n өткесінің басты қызметі-фотон соққысынан бөлініп шыққан электрондарды белгілі бір бағытқа бағыттау. Күн сәулесі кремний пластинасына түскенде, фотондар энергиясы p-қабатындағы электрондарды «жұлып» алады . p-n өткесіндегі ішкі электр өрісі бұл электрондарды n-қабатына қарай итереді. Егер біз бұл екі қабатты сыртқы өткізгішпен (сыммен) қоссақ, электрондар n-қабатынан p-қабатына қарай ағып, электр тогын тудырады. Осылайша, Күннің ядролық энергиясы тікелей электр энергиясына айналады.

2.4. Түрлендіру тиімділігі және оған әсер ететін факторларҚазіргі таңдағы кең таралған күн батареяларының тиімділігі (ПӘК) орташа есеппен 15-20% құрайды. Бұл көрсеткіштің шектеулі болуына бірнеше физикалық себептер әсер етеді:Жарықтың шағылысуы: Күн сәулесінің бір бөлігі беткі қабаттан шағылысып, материалдың ішіне өтпей қалады.Энергияның жылуға айналуы: Егер фотон энергиясы электронды босатуға қажетті мөлшерден (шығу жұмысынан) тым көп болса, артық энергия материалды қыздыруға жұмсалады.Толқын ұзындығының сәйкес келмеуі: Төмен жиілікті фотондардың энергиясы электрондарды қозғалтуға жетпейді.

2.5. Күн энергетикасының артықшылықтары мен кемшіліктері

Кез келген технология секілді, күн батареяларының да өзіндік жақсы және жаман жақтары бар. Студенттік зерттеу барысында біз мынадай факторларды анықтадық:

Артықшылықтары:

• Экологиялық қауіпсіздік: Жұмыс істеу барысында атмосфераға зиянды газдар (CO2) мен қалдықтар бөлінбейді.

• Шығынның аздығы: Орнатылғаннан кейін техникалық қызмет көрсету құны төмен және энергия көзі (Күн) тегін.

• Автономдылық: Орталықтандырылған электр желілері жетпеген шалғай аудандарды жарықпен қамтамасыз етудің жалғыз жолы.

Кемшіліктері:

• Тұрақсыздық: Энергия өндіру ауа райына, тәулік уақытына және маусымға тікелей тәуелді.

• Қымбат құрылғылар: Батареяларды жасауға қажетті таза кремний мен аккумуляторлардың құны әлі де жоғары.

• Көлемді қажет ету: Көп мөлшерде энергия алу үшін үлкен аумақтарға панельдер орнату керек.

2.6. Қазақстандағы күн энергетикасының дамуы

Қазақстан Республикасы өзінің географиялық орналасуына байланысты жаңартылатын энергия көздерінің (ЖЭК), соның ішінде күн энергетикасының орасан зор әлеуетіне ие. Мамандардың есептеуінше, еліміздегі күн энергиясының әлеуеті жылына 1300-ден 1800 кВт/м²-ге дейін жетеді. [5] Бұл көрсеткіш Еуропаның жетекші елдерінен әлдеқайда жоғары.

Еліміздегі ірі күн электр станциялары (КЭС):

Қазіргі уақытта Қазақстанда ондаған ірі күн станциялары сәтті жұмыс істеп тұр. Олардың ішіндегі ең ірілері:

• «Бурное Солар» (Жамбыл облысы): Қуаттылығы 100 МВт-ты құрайтын алғашқы ауқымды жобалардың бірі.

• «Саран» КЭС (Қарағанды облысы): Бұл станция Орталық Азиядағы ең ірі нысандардың қатарына жатады, онда 300 мыңнан астам панель орнатылған.

• «Гүлшат» КЭС: Жамбыл облысында орналасқан, қуаттылығы 40 МВт болатын маңызды энергетикалық нысан.

Мемлекеттік қолдау және «Жасыл экономика»:

Қазақстан 2050 жылға қарай жалпы энергия тұтыну көлеміндегі баламалы энергияның үлесін 50%-ға жеткізуді мақсат етіп отыр. Осы мақсатта бірнеше маңызды қадамдар жасалды:

• Аукциондық жүйе: Мемлекет инвесторлар арасында жаңартылатын энергия жобаларына аукцион өткізіп, ең төменгі тариф ұсынған компанияларға қолдау көрсетеді.

• Нетто-тұтынушылар бағдарламасы: Жеке тұлғалар немесе шағын шаруа қожалықтары өздері орнатқан күн панельдерінен алынған артық энергияны орталық желіге сатып, табыс таба алады.

• Халықаралық ынтымақтастық: «ЭКСПО-2017» көрмесінен кейін елімізге Total (Франция), Goldbeck Solar (Германия) және Eni (Италия) сияқты ірі компаниялар инвестиция құйып, күн энергиясы саласын дамытуға үлес қосуда.

Экологиялық және экономикалық маңызы:

Оңтүстік өңірлердегі (Түркістан, Қызылорда, Алматы облыстары) күн ашық күндердің көптігі бұл аймақтарды электр қуатымен қамтамасыз етудегі тапшылықты жоюға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, күн энергиясына көшу жыл сайын атмосфераға шығарылатын көмірқышқыл газының мөлшерін жүздеген мың тоннаға азайтуға көмектеседі.

3. Болашақ перспективалары мен түйін

Күн энергиясы-экологиялық таза және сарқылмайтын ресурс. Қазіргі уақытта ғалымдар күн батареяларының тиімділігін арттыру үшін жаңа перовскиттік материалдарды және көп қабатты құрылымдарды зерттеуде. Бұл технологияны дамыту арқылы біз дәстүрлі отын көздеріне тәуелділікті азайтып, қоршаған ортаны сақтауға үлес қоса аламыз.

4. Қорытынды

Мақаланы қорытындылай келе, күн батареяларының жұмысы энергияның сақталу заңы мен фотоэффект құбылысының тікелей көрінісі болып табылады. Бұл құрылғылар табиғаттағы энергияның жойылмайтынын, тек бір күйден екінші күйге ауысатынын дәлелдейді. Технологиялық қиындықтарға қарамастан, Күн энергиясын игеру-болашақ энергетиканың басты бағыты.

Пайдаланылған әдебиеттер тізімі:

1. Эйнштейн А. Фотоэффект теориясы туралы еңбектері. М.: Наука, 1965. 12-18 бб.

2. Кикоин А. К., Кикоин И. К. Физика: Жалпы білім беретін мектептің 9-сыныбына арналған оқулық. Алматы: Мектеп, 2019. - 156-162 бб.

3. Тілеуов С. Т. Дәстүрлі емес және қайта жаңартылатын энергия көздері: Оқулық. Алматы: Эверо, 2014. - 45-52 бб.

4. Сәмет К. Фотоэлектрлік түрлендіргіштердің физикалық негіздері ҚазҰУ хабаршысы. 2021. №2 (77). - 34-40 бб.

5. Қазақстан Республикасының "Жасыл экономикаға" көшуі жөніндегі тұжырымдамасы. Астана, 2013.