Будет ли больше электричества генерироваться с помощью линзы для фокусировки солнечного света на солнечные элементы?

12

Я задавался вопросом об этом вопросе в течение достаточно долгого времени. В идеальном случае энергия фотонов, попадающих на солнечные элементы, преобразуется в электрическую энергию, как описано уравнением:

ря2Tзнак равноWЕзнак равноν

где - частота фотонов. Использование линзы не увеличит частоту фотонов, поэтому не генерируется дополнительное электричество.ν

Правильно ли я считаю, что солнечные элементы не будут генерировать никакого дополнительного электричества, когда линза используется для фокусировки света на них?

TBBT
источник
Если бы это было правдой, мы могли бы использовать объектив разложенном фотоны и генерируют ту же энергию меньше света ... , а затем с помощью более солнечных батарей, больше энергии из того же количества света!
user253751

Ответы:

15

Ваше уравнение частично верно. Вы рассчитали энергию на фотон ( ), но вы пренебрегли количеством фотонов. Вот почему единицы не совпадают (мощность - это энергия в единицу времени, в то время как у вас есть только энергия для каждого фотона).ν

Идеальная мощность (энергия в единицу времени) зависит от площади солнечной панели, , количества фотонов, ударяющих в нее за единицу времени ( Φ ), и энергии каждого фотона E , так что W I d e a l = рФ Е .AпΦЕWяdеaLзнак равноAпΦЕ

Линза или зеркало могут фокусировать свет (поток фотонов) на небольшой площади. В действительно идеальных условиях площадь линзы ( ) заменит A p в приведенной выше формуле. Таким образом, если объектив больше солнечной панели, он может захватывать больший поток фотонов и направлять их на панель, увеличивая мощность.ALAп

Дэн
источник
Так, если линзы могут увеличить производство электричества, они в настоящее время используются?
TBBT
Я могу ошибаться, но угол солнечных лучей меняется в течение дня. Разве это не делает использование объектива немного непрактичным?
TBBT
2
Линзы используются в нескольких случаях, потому что они позволяют собирать больше солнечной энергии на квадратный дюйм солнечного элемента (концентрируя больше квадратных дюймов падающего света в одной области). В некоторых случаях это действительно дает преимущества (солнечные элементы с наивысшей эффективностью требуют значительного потока фотонов для своей работы). Однако это сложно использовать, потому что это также означает, что существует повышенная потребность в рассеивании тепла, что непросто. Около двух лет назад я слышал о солнечном элементе, чья оптимальная эффективность была достигнута при 100+ солнц, требующих линз для этого.
Корт Аммон
1
@TBBT Объективы могут увеличить производство за счет увеличения площади поверхности, но могут и зеркала, которые отражают свет на то, что генерирует энергию. Взгляните на это: en.wikipedia.org/wiki/Concentrated_solar_power
Патрик М
10

Да, увеличение освещенности солнечного элемента с помощью линз или зеркал увеличивает выходную мощность.

Однако есть ограничивающие факторы. Эффективность солнечного элемента падает с температурой. Ток остается примерно пропорциональным потоку фотонов, но напряжение разомкнутой цепи падает при нагреве полупроводникового перехода. Тем не менее, больше потока дает больше энергии, хотя и не совсем линейно.

Продолжайте, и солнечный элемент становится настолько горячим, что полупроводник, из которого он сделан, больше не действует как полупроводник. Это около 150 ° С для кремния. Если вы можете сохранить ячейку в прохладе, вы можете поразить ее более высоким потоком фотонов. Однако другие нелинейные эффекты начинают мешать, и вы начинаете получать убывающую отдачу при высоких уровнях потока.

Олин Латроп
источник
Тогда будет ли целесообразным небольшое увеличение, скажем, 1,5 или 2х, в доступных в настоящее время солнечных системах? Не учитывая сложность достижения увеличения, изменения фокуса и т. Д. Просто с точки зрения вашего обычного потребителя 100-ваттная солнечная панель.
@Frank: Все зависит от того, насколько повышенная температура может выдержать панель. В жаркий августовский день в Фениксе, вероятно, нет, поскольку панель, вероятно, уже близка к своей максимальной температуре. В других случаях 1,5х или 2х может быть хорошо. Помните, что 15% эффективности означает 85% неэффективности, поэтому 85% солнечного света идет на нагрев панели. В худшем случае примерно 1,2 кВт на квадратный метр, это 1 кВт на квадратный метр тепла. Может ли потребоваться 1,5 или 2 кВт на квадратный метр? Возможно, иногда, но вряд ли в общем случае, если он не предназначен для этого заранее.
Олин Латроп
0

Чем больше плотность фотонов на интересующей частоте, тем больше мощность фотонов, возбуждающих электроны полупроводника на более высоких энергетических орбиталях в запрещенной зоне и за ее пределами. При этом, как сказал Олин, увеличение не является линейным. Со временем, когда температура увеличивается, увеличение интенсивности фотонов приводит к уменьшению приращения мощности.

Мое предложение состояло бы в том, чтобы использовать линзовые фильтры и другие методы, чтобы отклонить длины волн фотона, которые не приносят пользы. Нам нужны только фотоны с длиной волны, которые настроены так, чтобы возбуждать электроны через запрещенную зону для этого конкретного полупроводника.

Любые фотоны, которые этого не делают, вызывают только повышение температуры. Таким образом, вы хотите увеличить плотность падающих фотонов только у соответствующих фотонов.

Вы можете реально охлаждать солнечные батареи с помощью алюминиевых радиаторов, которые пропускают через них воду для подогрева воды. Я видел такую ​​установку на выставке. Это была испанская компания, но я не помню название. Установка объединяет солнечную энергию как для электричества, так и для конвективного нагрева воды.

0тыранный
источник
0

В Мичиганском университете был открыт новый способ преобразования солнечной энергии. Пожалуйста, проверьте: https://phys.org/news/2011-04-solar-power-cells-hidden-magn.html

Он использует магнитную составляющую света, которая проявляется, когда свет высокой интенсивности проходит через прозрачный, но не проводящий электричество материал, например, стекло. Свет должен быть сфокусирован до интенсивности 10 миллионов ватт на квадратный сантиметр. Солнечный свет сам по себе не такой интенсивный, но ведется поиск новых материалов, которые бы работали с меньшей интенсивностью.

Ваша концентрация света с использованием линз и зеркал имеет ограниченный потенциал для извлечения большего количества энергии из обычного солнечного элемента, но это, безусловно, увеличит электрическую энергию с помощью этого нового метода.

0тыранный
источник
Как вы упомянули, это не отвечает на вопрос.
Хаззи