Una batteria solare è un dispositivo per convertire l'energia solare in elettricità. Le celle solari ad alte prestazioni che puoi acquistare da Radio Shack e in altri negozi sono realizzate con silicio appositamente lavorato e richiedono enormi fabbriche, alte temperature, pulizie speciali e molti soldi.
Se siamo disposti a barattare l’efficienza con la capacità di realizzare pannelli solari per la nostra cucina utilizzando materiali di ferramenta, possiamo dimostrare un pannello solare funzionante in circa un’ora.
La nostra cella solare è realizzata in ossido di rame anziché in silicio. L'ossido di rame è uno dei primi materiali in cui gli scienziati hanno scoperto l'effetto fotovoltaico, in cui la luce fa fluire l'elettricità nel materiale.
La riflessione su come spiegare l'effetto fotoelettrico è ciò che ha portato Albert Einstein al Premio Nobel per la fisica e alla teoria della relatività.
Materiali.
1. Un foglio di rame da un negozio di ferramenta. Di solito costa circa 150 rubli. per 0,9 mq Abbiamo bisogno di circa 45 cmq.
2. Due clip a coccodrillo.
3.Microamperometro sensibile in grado di misurare intervalli compresi tra 10 e 50 microampere. Radio Shack vende piccoli multimetri con monitor LCD, ma puoi usarne uno normale.
4. Forno elettrico. Il fornello della mia cucina è a gas, quindi ho comprato un piccolo fornello elettrico a bobina singola per circa RUB 750. I piccoli bruciatori da 700 watt probabilmente non funzioneranno: ci vogliono almeno 1100 watt per far diventare rosso il bruciatore.
5. Bottiglia di plastica con il collo tagliato. Ho usato una bottiglia di acqua minerale da 2 litri.
6. Sale da cucina. Avremo bisogno di un paio di cucchiai.
7. Acqua del rubinetto.
8. Carta vetrata o trapano con tale accessorio (abrasivo)
9. Lamiera.
Produzione.
Ecco il bruciatore.
Per prima cosa devi tagliare un pezzo di rame in modo che abbia le dimensioni di una stufa elettrica. Lavarsi le mani per non lasciare macchie di grasso o di altro tipo. Lavare anche la lastra di rame con detergente per rimuovere eventuali tracce di grasso o altre macchie.Utilizzare carta vetrata o una spazzola abrasiva per rimuovere completamente il rivestimento protettivo di rame in modo da rimuovere eventuali solfuri o altra leggera corrosione.
Posizionare quindi una lastra di rame pulita sul fornello (elettrico) e accenderlo al massimo.
Il rame inizierà a riscaldarsi e ad ossidarsi, vedrai delle bellissime macchie rosso-arancioni sulla sua superficie.
Quando il rame si riscalda ancora di più, le macchie multicolori inizieranno a essere sostituite da ossido di rame nero.
Tutti i colori scompaiono quando la spirale è già rossa.
Quando il bruciatore si accende, il foglio di rame sarà rivestito con ossido di rame nero. Lasciate cuocere per un'altra mezz'ora in modo che la patina nera si addensi. Questo è importante perché un rivestimento spesso si staccherà facilmente, mentre un rivestimento sottile rimarrà attaccato al rame.
Dopo mezz'ora di cottura spegnete il fuoco. Lasciare raffreddare lentamente il rame caldo sul bruciatore. Se lo raffreddi troppo velocemente, una pellicola di ossido nero si attaccherà al rame.
Quando il rame si raffredda, si contrae. Anche l'ossido di rame nero si restringe. Ma si restringono a velocità diverse, il che provoca la sfaldatura dell'ossido di rame nero.
Presto inizieranno a cadere pezzi di grandi dimensioni, è divertente da guardare))
Una volta che il rame si è raffreddato a temperatura ambiente (ci vogliono circa 20 minuti), la maggior parte della pellicola di ossido nero sarà scomparsa. Un leggero sfregamento con le mani sotto l'acqua corrente rimuoverà la maggior parte dei piccoli pezzi. NON cercare di rimuovere le macchie ostinate e non piegare il foglio: potresti danneggiare il sottile strato di ossido di rame, che è esattamente ciò di cui abbiamo bisogno.
Il resto dell'assemblaggio è molto semplice e veloce.
Tagliare il secondo foglio di rame della stessa dimensione del primo (quello riscaldato), piegare CON ATTENZIONE entrambe le parti in modo che entrino nella bottiglia di plastica senza toccarsi.
Attacca le clip a coccodrillo a entrambe le piastre. Collegare il filo dal rame puro al positivo e il filo dalla piastra di ossido al negativo.
Ora mescolate un paio di cucchiai di sale in un po' di acqua calda del rubinetto. Mescolare finché tutto il sale non si sarà sciolto. Versare con attenzione il composto nella bottiglia (dove si trovano i piatti), lasciando circa 2,5 cm dai bordi dei piatti.
Nella foto sopra, la batteria solare finita è NELL'OMBRA, l'amperometro mostra circa 6 milliampere, ma anche al buio questa batteria produrrà diversi milliampere))
Questa foto mostra la batteria alla luce e l'amperometro mostra 34 milliampere, a volte la batteria può fornire 50 milliampere o anche di più.
Come funziona?
L'ossido di rame è un semiconduttore.È un conduttore intermedio, dove l'elettricità può fluire liberamente, e un isolante, dove gli elettroni sono strettamente legati ai loro atomi e non fluiscono liberamente.
In un semiconduttore, c'è un intervallo chiamato banda proibita tra gli elettroni che sono strettamente legati all'atomo e gli elettroni che sono più lontani dall'atomo, che possono muoversi liberamente e condurre elettricità.
Gli elettroni non possono rimanere nella banda proibita. Un elettrone può fornire solo poca energia e spostarsi dal nucleo di un atomo alla banda proibita. L'elettrone deve acquisire energia sufficiente per allontanarsi dal nucleo, al di fuori della banda proibita.
Allo stesso modo, un elettrone al di fuori della banda proibita non può perdere un po’ di energia e cadere solo un po’ più vicino al nucleo. Deve perdere energia sufficiente per superare il gap di banda nella regione in cui gli elettroni possono sfuggire.
Quando la luce solare colpisce gli elettroni nell’ossido di rame, alcuni elettroni ricevono energia sufficiente dalla luce solare per superare la banda proibita e diventare liberi di condurre elettricità.
Gli elettroni liberi si spostano nell'acqua salata, poi nella piastra di rame pulita, nel filo, attraverso l'amperometro e di nuovo alla piastra ossidata.
Mentre gli elettroni si muovono attraverso l'amperometro, vediamo il lavoro (ampere). Quando un'ombra cade su un pannello solare, gli elettroni si muovono più lentamente e i milliampere sono inferiori.
Una nota sull'energia.
La batteria produce 50 milliampere a 0,25 volt.
Questo è 0,0000125 watt (12,5 microwatt).
Non provare ad accendere una lampadina))) ci vorrebbero ettari di batterie per illuminare una casa. Il nostro modello è sperimentale e può essere utilizzato come sensore di luce.
0,0000125 watt (12,5 microwatt) per una batteria da 0,01 metro quadrato o 1,25 milliwatt per metro quadrato.Per illuminare una lampadina da 100 watt, sarebbero necessari 80.000 metri quadrati di ossido di rame per il lato illuminato dal sole e 80.000 metri quadrati di rame per l’elettrodo scuro. Per far funzionare una fornace da 1.000 watt, sarebbero necessari 800.000 metri quadrati di ossido di rame e altri 800.000 metri quadrati di rame semplice, ovvero 1.600.000 metri quadrati tutti insieme. Se dovesse essere montato sul tetto di una casa, ogni casa sarebbe lunga 282 metri e larga 282 metri, tenendo conto di tutto ciò per cui avevano bisogno di elettricità, c'era una stufa.
Ci sono 17.222.256,7 piedi quadrati in 1.600.000 piedi quadrati. Se il rame coprisse i costi a 5 dollari al metro quadrato, il solo rame costerebbe 86.110.283,50 dollari. Facendo questo un decimo dello spessore puoi ridurlo a $ 8.611.028,35. Dato che stai acquistando in grandi quantità, potresti ottenerlo per la metà, ovvero circa $ 4.300.000,00.
Se utilizzassi pannelli solari al silicio che costano $ 4 per watt, potresti gestire lo stesso forno per $ 4.000,00. Ma i pannelli sarebbero solo di circa 10 metri quadrati.
Oppure per circa un dollaro puoi costruire un forno solare con fogli di alluminio e cartone. Per circa $ 20 puoi costruire un bellissimo fornello solare parabolico in alluminio lucidabile.
Cella solare piatta
Ho realizzato una versione più portatile del pannello solare con un design piatto. Ho usato una copertina di plastica trasparente per CD come finestra e colla siliconica per tenere insieme i pezzi e isolarli l'uno dall'altro.
Per prima cosa produciamo un ossido di rame, come nella prima parte: all'angolo della piastra di ossido saldiamo un filo di rame isolato, questo sarà il meno (polo negativo).
La piastra positiva è un pezzo di rame puro a forma di U, leggermente più grande di quello di ossido (capirai come nelle immagini sottostanti))) saldiamo un filo al suo angolo, questa volta un vantaggio.
Per prima cosa incolliamo la piastra di rame U alla finestra di plastica. Usa molta colla siliconica in modo che l'acqua salata non penetri. Assicurati che il giunto di saldatura sia completamente coperto di colla o all'esterno della colla a U come mostrato nella foto (è meglio completamente coperto di colla).
La foto sotto mostra il lato posteriore del pannello solare (il lato non rivolto al sole).
La foto sotto mostra il lato anteriore del pannello solare (il lato rivolto verso il sole). Tieni presente che la colla siliconica non copre completamente il rame, poiché parte del rame alla fine deve entrare in contatto con l'acqua salata.
Applicare la colla su una piastra di rame puro. Questo strato fungerà da isolante tra la piastra di rame puro e la piastra di ossido e dovrebbe essere sufficientemente spesso da lasciare un piccolo spazio per l'acqua salata. Ancora una volta, non tutto il rame è rivestito, quindi ce ne sarà molto a contatto con l'acqua.
Incolla con attenzione la piastra di ossido su questo strato. Dovrai premere abbastanza forte da assicurarti che la colla circondi eventuali spazi vuoti, ma non così forte da far toccare le due piastre.
La foto sotto mostra il lato posteriore del pannello solare (il lato non rivolto al sole).
La foto sotto mostra il lato anteriore del pannello solare (il lato rivolto verso il sole).Nota che ho aggiunto della colla extra per formare il tubo sulla parte superiore in modo che assomigli al versamento di acqua salata.
La foto non mostra lo strato aggiuntivo di colla attorno al perimetro per evitare infiltrazioni d'acqua, ma devi farlo. Lascia asciugare la colla prima di procedere al passaggio successivo.
Successivamente, utilizzare un contagocce grande per aggiungere acqua salata. Riempire la batteria quasi fino alla sommità della piastra di rame finché l'acqua non fuoriesce quasi. Successivamente sigillate il foro con una goccia di colla e lasciate asciugare la colla per almeno mezz'ora.
Nella foto sopra puoi vedere il pannello solare a schermo piatto in azione in pieno sole. Fornisce circa 36 microampere. Puoi anche vedere una goccia di colla in più attorno ai bordi delle piastre e riempire la parte superiore del tubo.
Infine, in un'altra foto c'è l'ombra dell'autore. Si noti che l'amperometro ora legge circa 4 microampere poiché su di esso non splende la luce del sole.
