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

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:

$RI^2t=W\equiv E=\hbar\nu$

где - частота фотонов. Использование линзы не увеличит частоту фотонов, поэтому не генерируется дополнительное электричество.$\nu$

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

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).$\hbar \nu$

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 = р ⋅ Ф ⋅ Е .$A_p$$\Phi$$E$$W_{Ideal} =A_p \cdot \Phi \cdot E$

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.$A_L$$A_p$

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.

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.

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.