Не так давно и месяца не проходило, чтобы какие-нибудь "британские учёные" не придумывали новый фотоэлектрический преобразователь (ФЭП) с рекордным КПД, например, в 45%, правда с "небольшой оговоркой", что это для концентрированного света и при охлаждении кристалла.
В это время другие "британские учёные" обещали вот-вот сделать солнечные батареи, умеющие "ловить" ИК излучение, уходящее с земли, и вырабатывать энергию с него даже ночью.
Глядя на первых и вторых, и пытаясь экстраполировать цены на солнечные батареи и их эффективность, всякие овцы насмехались над недальновидным Капицей и предвещали светлое будущее, которое вот-вот настанет.
Вообще, давно не слышал ни тех, ни других, ни третьих, похоже, тут жизнь сама расставила всё по своим местам. Но всё же довольно любопытно узнать - а насколько эффективной солнечная батарея могла бы когда-нибудь стать? Причём не будем ограничиваться кремнием, и не будем ограничиваться только лишь ФЭП на основе pn-перехода, мало ли, какие-то другие механизмы можно придумать. И рассмотрим случай как концентрированного света, так и батарею, способную получить свет с любого направления, безо всяких опорно-поворотных устройств.
Для этого нужно вспомнить, что на самом-то деле солнечная батарея - это ТЕПЛОВАЯ МАШИНА. У неё есть нагреватель - поверхность солнца, есть холодильник - обычно окружающий воздух. Да, непривычно, "семестр не тот", но законы оптики и законы термодинамики удивительно тонко увязаны друг на друга!
Кроме прочего, это объясняет, почему КПД электродвигателей и генераторов примерно один и тот же (при схожих габаритах), а вот КПД светодиодов сильно выше, чем КПД солнечных батарей.
Второй закон термодинамики
В простейшем виде он звучит так: более холодное тело не может самопроизвольно (без совершения дополнительной работы) передать своё тепло более нагретому.
Если бы это удалось, полученный прибор назывался бы вечным двигателем второго рода и мог бы элементарно снабжать всё человечество бесплатной энергией, потихоньку охлаждая мировой океан, ещё и глобальное потепление поборол бы "на сдачу". Но пока это никому не удавалось и вряд ли удастся.
Излучение - это один из механизмов передачи тепла. Поверхность Солнца раскалена до 6 тысяч градусов - поэтому оно излучает, причём спектр его излучения весьма близок к спектру Абсолютно Чёрного Тела (АЧТ).
Можно ли взять солнечные лучи и сфокусировать их настолько хорошо, что они разогреют какой-то объект до температуры свыше 6 тысяч градусов? По второму закону термодинамики это запрещено. Законы оптики, как оказывается, тоже это запрещают, но довольно запутанным способом.
1. Энергетическая яркость луча не может увеличиваться
Энергетическая яркость - это, по сути, мощность (в ваттах), переносимая лучом, отнесённая к единице площади и к телесному углу, т.е единица измерения энергетической яркости: Вт/м2/ср
Например, на землю падают солнечные лучи, на 1 м2 приходится около 1000 Вт, а расхождение составляет 0,5 градуса (угловой размер Солнца при наблюдении с Земли), что соответствует телесному углу 6*10-5 ср. Это означает, что энергетическая яркость солнечных лучей: 16,7 Вт/мм2/ср, и эту яркость никакими ухищрениями мы не увеличим.
Поставить огромную собирающую линзу - не проблема. Мы сможем собрать весь свет, приходящий с 1 м2 на площадочку 1 см2:
(первая попавшаяся картинка собирающей линзы)
И что мы видим: да, площадь, на которую приходятся лучи, т.е энергетическая освещённость (Вт/м2) возросла, но раньше лучи были почти параллельными, а теперь они заходят в фокус СО ВСЕХ СТОРОН. Ещё нагляднее это на параболическом зеркале:
(опять рандомная картинка, извините).
Причём параллельные лучи - это абстракция, их не существует в природе. Реальные лучи имеют расхождение (исходят из объекта с ненулевым угловым размером), и можно заранее узнать, до какой степени их можно сфокусировать. Рано или поздно они должны упасть на поверхность объекта, и только с одной стороны этой поверхности (постригите меня за полцены, но только с одной стороны - СНАРУЖИ), притом падать они должны "как попало" - лишь часть упадёт перпендикулярно, а часть пройдёт "на бреющем полёте", и, как мы знаем хотя бы по климату Земли (холодно на полюсах, тепло на экваторе), не сильно нас нагреет. В общем, просто говорим: закон Ламберта, яркость лучей умножаем на π стерадиан - вот нам и будет энергетическая освещённость, Вт/мм2, максимальная, которую вообще можно достичь.
То есть, если у нас была энергетическая яркость 16,7 Вт/мм2/ср, то умножив её на π, мы получаем энергетическую освещённость (она же плотность мощности) 52 Вт/мм2.
Это огромная величина, 52 МЕГАВАТТА НА КВАДРАТНЫЙ МЕТР. Но теперь ещё нам нужно посадить сюда чёрное тело, а то если мы поставим зеркальный шарик - он всю эту чудовищную мощность переотразит аккурат на Солнце, и мы ничего не получим.
И теперь подумаем, до какой температуры сможет разогреться это чёрное тело, когда на него так здорово сфокусировали солнечные лучи. Как оказывается: до 5500 кельвина, т.е чуть ниже температуры поверхности Солнца. В этот момент уже само тело начнёт излучать столько же тепла, сколько оно получает, и установится тепловое равновесие. Как ни странно, всё это излучение пойдёт назад, на Солнце. Всё равно что на плите нагреть сковороду, только через 150 млн. километров!
Температура получилась чуть ниже температуры Солнца из-за того, что часть света рассеялась и поглотилась в атмосфере, ведь на орбите Земли солнышко даёт примерно 1360 Вт/м2.
2. Односторонние зеркала не такие уж односторонние!
Собственно, из пункта 1 это и так следует, но всё же оговорим отдельно. В сериалах про полицейских очень любят в комнате для допросов ставить "одностороннее зеркало" - из комнаты подозреваемых оно выглядит именно как зеркало, а с обратной стороны - как окно, из которого за ними пристально наблюдают.
Вот бы такое зеркало поставить перед солнышком - лучи будут заходить вовнутрь, а назад вернуться не смогут, будут переотражаться назад! Тут-то нам карта и попрёт, тут даже солнышка не нужно, просто одно тело с одной стороны стекла, другой - с другой стороны, оба испускают тепловое излучение, но одно проходит насквозь, другое переотражается - вот нам и вечный двигатель второго рода!
Нет, не получается, эти зеркала не так работают...
Вот объяснение от XKCD:
Асимметрия возникает от условий освещения: комната для допросов должна быть яркой, а комната наблюдения - тёмной. Точно так же тонированные стёкла не позволят увидеть водителя, если в автомобиле сильно темнее, чем на улице. Если там освещение не включено, так оно и есть.
А так-то это просто полупрозрачное стекло, как-то хитро сфокусировать свет оно нам не поможет.
Существуют ещё оптические изоляторы, которые действительно пускают свет лишь в одном направлении. Но "увы", свет, идущий в обратном направлении, просто ОБЯЗАН быть поглощён и перейти в тепло. Назад он переотразиться не может, поэтому в супер-фокусировке лучей и эта штука бесполезна.
3. Погружение в преломляющую среду нам не поможет.
С пунктом 1 мы немножко погорячились, есть один надёжный способ поднять яркость луча - перейти из воздуха (вакуума) в плотную среду, например, в стекло или в жидкость.
Подобными картинками обычно иллюстрируют полное внутреннее отражение, но она же показывает и другое: Лучи, направления которых менялись в больших пределах на воздухе, после вхождения в жидкость становятся более "кучными", т.е телесный угол уменьшается в n2 раз (n-показатель преломления), при том, что мощность и поверхность остались теми же самыми! Значит, и яркость увеличивается в n2 раз!
А нам бы хоть самую малость "равновесие нарушить" - это же позволит создать вечный двигатель второго рода, и не нужно нам Солнце, а то вечно облака, осадки, снег, град...
Вот можно такую систему предложить:
Две пластинки, изолированные от внешнего мира. Между ними зазор. Нижнюю половину заливаем жидкостью (или приклеиваем стекло), вторая половина - вакуум или воздух.
Изначально обе пластины имеют одинаковую температуру, и обе выдают равновесное тепловое излучение. Излучение нижней пластины показано чёрными линиями, излучение верхней - зелёными.
И получается забавная вещь: ВСЕ излучение верхней пластины достигает нижней, а вот огромная доля излучения с нижней пластины испытывает полное внутреннее отражение (предельный луч обозначен красным) и возвращается назад.
Всё, мы сдвинули равновесие, теперь нижняя пластинка разогреется, а верхняя остынет, самопроизвольно! Как минимум, мы получаем холодильник, не требующий энергии :)
Оказывается, что излучение абсолютно чёрного тела тоже должно быть пропорционально n2. Повсюду приводится формула для излучения АЧТ:
Злобный набор констант (пи, постоянная больцмана, скорость света и постоянная Планка) обзывают постоянной Стефана-Больцмана, и дело с концом.
Но как это ни странно, вот эта скорость света в знаменателе - это именно что скорость света в среде, в которую идёт излучение! В плотных средах скорость света ниже, и излучение получается сильнее, чего как раз хватает, чтобы сохранилось равновесие.
Как ни странно, Макс Планк в своей эпохальной работе, в которой он ввёл постоянную имени себя, он написал чёрным по белому, что c в этой формуле - скорость света в среде. В учебниках физики для школы и для института про этот факт как-то подзабыли, скажем, не акцентируют внимание. В целом, народ вроде бы в курсе, вводят "редуцированную" яркость (делёную дополнительно на n2) и в ус не дуют...
Чуть более подробно этот момент описывал у себя в бложике.
Одна из книжек, где упоминается эта особенность - Peter Wurfel - Physics of solar cells, from principles to new concepts
4. "Парниковый эффект" нам не поможет
Нам все уши прожжужали про страшный углекислый газ, который впускает солнечные лучи к поверхности, но не выпускает тепловое излучение наружу. Вот очередная асимметрия, которая позволяет "концентрировать" энергию!
Но снова эта асимметрия возникает только из-за того, что поверхность Солнца и поверхность Земли имеют принципиально разную температуру! Если взять кусочек ландшафта и разогреть его до 5600 К, то излучение от него будет уходить в космос столь же хорошо, как оно приходит от Солнца на Землю. Так-то, атмосферные газы "не чувствуют направлений".
То есть, используя "парниковый эффект", то бишь материалы, которые пропускают определённые длины волн и отражают другие, мы можем ослабить разность температур, но когда температуры будут приближаться друг к другу - будут сближаться и спектры излучения, поэтому эффект сойдёт на нет. Использовать его для нарушения второго закона термодинамики не получится.
Определяем КПД
Ещё в 19 веке Сади Карно нашёл КПД идеальной тепловой машины. Ему не нужно было для этого рассматривать паровые машины, турбореактивные двигатели, двигатели внутреннего сгорания, двигатели Стирлинга и пр., он исходил из общих принципов термодинамики, и не ошибся, ни один реальный двигатель не может превзойти КПД его тепловой машины.
Поэтому и здесь мы не собираемся вдаваться в физику солнечных панелей, в прямозонные и непрямозонные полупроводники, ширину запрещённой зоны и прочие премудрости - они безусловно позволяют оценить потенциал конкретных технологий, но чтобы провести оценку сверху - этого не нужно!
Как ни странно, КПД выходит ОЧЕНЬ ВЫСОКИЙ. Скажем, температура нагревателя 5500 К, температура холодильника 40 °С = 313 К, получается КПД 94%.
Впрочем, такой КПД возможен только при предельно малой мощности, ведь стоит нам основательно забирать энергию с тела, которое мы нагреваем солнечными лучами, его температура упадёт. Будет происходит так: на тело приходит 1000 Вт тепла. 999 Вт оно излучает назад на Солнышко. 1 Вт мы снимаем, и умудряемся выработать из него 0,94 Вт полезной работы. С точки зрения физика, КПД действительно составляет 94%. Но с потребительской точки зрения, КПД этой установки скорее 0,094%: у нас "в распоряжении" было 1000 Вт, а мы их вернули назад Солнышку. Поэтому дальше всё-таки будем максимизировать мощность, которую можно получить с единицы поверхности, и считать КПД как полезную мощность, отнесённую к мощности, ПРИШЕДШЕЙ ОТ СОЛНЦА. Да, часть мы непостижимым образом вернём назад, но никто нас за это по головке не погладит.
При такой формулировке получим КПД 90%. Тело остынет с 5500 К примерно до 3000 К, и теперь уже будет смысл поставить "парник" - светофильтр, который начнёт переотражать назад в это тело длинноволновое излучение. Да, при этом оно несколько недополучит от Солнца, но в целом баланс улучшится.
А если без концентратора?
Рассмотренная нами конструкция - это гигантский концентратор. Его поле зрения: 0,5° х 0,5°, и он должен навестись строго на Солнце, принимать лучи только от него, и при этом удивительно много излучать назад, в сторону Солнца.
Да, в теории это очень здорово, но на практике - слишком сложно. Требуется двухосевое слежение, прецизионная, но очень крупная оптика. И ещё, малейшее облачко сразу очень резко ухудшает КПД. Причину этому мы теперь понимаем: хотя рассеиватели света не сильно поглощают энергию, но яркость луча падает катастрофически. Если раньше лучи имели малый телесный угол, что и позволяло их сконцентрировать на малой площади (размен телесного угла на площадь при неизменной яркости), то рассеянные лучи концентрации не поддаются, будь оно по-другому - это было бы нарушением второго закона термодинамики.
Как только мы начинаем принимать лучи со всего небосвода, как КПД нашей "идеальной солнечной батареи" резко падает. Тут без "парника" уже совсем никуда, как мы знаем из повседневного опыта (разогрев чёрной железяки градусов до 100 в знойный летний день на прямом солнышке - это "ни о чём" с точки зрения КПД, что-то около 16%, если температурой холодильника взять 40 °С). А вот с "парником", то есть, с очень точно рассчитанным светофильтром, переотражающим длинные волны, всё ещё возможно разогреть тело до 420 °С, что даёт КПД (снова взятый по максимальной мощности с единицы поверхности) в 55%.
UPD. (от 11.08.2022) 55% было несколько пессимистичной оценкой. Сейчас пересчитал "по-нормальному", получается около 68%. Выводов статьи оно сильно не меняет, вот выкладки (мой блог в ЖЖ), а если повезёт - то и в научном журнале, вместе с соавтором.
Выводы
1. Существующие солнечные батареи достаточно близко подошли к теоретическому пределу. Скажем, трёхслойные арсенид-галлиевые элементы приближаются к 40% на неконцентрированном свете. Если бы "в теории" они могли до 90% дойти, можно было бы надеяться ещё на какой-то рывок, но так - уже всё.
2. Все изложенные здесь "теоретические" принципы довольно хорошо повторяются в реальных солнечных элементах. Термодинамика требует: при повышении температуры холодильника (т.е температуры самого кристалла в нашем случае) КПД должен упасть - он и падает. По нашей теории, на неконцентрированном свете должно было получаться падение в КПД около 1/420 на градус, или 0,14%. Отнести это к выработанной мощности - получится ухудшение по 0,26% на градус. Тютелька в тютельку, как в недавнем посте объявили. Также КПД должен падать по мере снижения яркости света - и действительно, у всех солнечных элементов при снижении яркости не только пропорционально снижается ток, но и потихоньку падает рабочее напряжение.
3. Если кто-то обещает солнечную батарею, которая даже ночью будет немножко вырабатывать за счёт ИК-излучения земли, верить этому не стоит, это всё тот же вечный двигатель второго рода, но в другой обёртке. Точнее, да, можно небольшой разбаланс создать, но всё та же термодинамика учит: если у нас разница в несколько градусов (хорошо, в 10 °С, мы добрые), то КПД получается уж очень ничтожным, например, 3% для холодильника 20 °С и нагревателя 30 °С. Это не окупится никогда.
3. Становится понятнее, почему светодиоды эффективнее солнечных батарей, у вполне себе коммерческих (не хитрых экспериментальных, существующих в одном экземпляре в какпой-то лаборатории) синих светодиодов КПД под 60% на малых токах, а у коммерческих солнечных батарей около 20%. Причина именно в том, что солнечная батарея преобразует неупорядоченную энергию теплового излучения Солнца в 100% упорядоченную электроэнергию, это всегда подразумевает "тепловую машину" и связанный с этим КПД. Грубо говоря, мы обязаны сбрасывать энтропию (в электричестве и в механической работе её нет), а с ней - и часть тепла. А в обратную сторону, из электроэнергии в беспорядочное излучение "во все стороны" и с широким спектром - дело проще! В теории, светодиод мог бы даже "извлекать тепло из окружающей среды" и на каждый Вт электрической мощности давать 1,3 Вт оптической (если мы готовы все потолки обклеить светодиодными "обоями", излучающими во все стороны и дащие освещённость около 200 лк. Более точечные источники света потребуют больше энергии). В общем, работать как тепловой насос, только с большим "перепадом температур". Пока нечто подобное удалось наблюдать только на сверхмалых мощностях (100 пВт), что абсолютно непрактично, см. Parthiban Santhanam, et al. “Thermoelectrically Pumped Light-Emitting Diodes Operating above Unity Efficiency.” Phys. Rev. Lett. 108, 097403 (2012) И ожидаемо, КПД зависит от яркости "в обратную сторону" - чем ярче, тем КПД ниже. Да, яркий свет может излучить только очень горячее тело, и нагреть его с помощью теплового насоса (т.е оптимально, не потратив лишней энергии) очень тяжело...
4. Любые нападки на Капицу, дескать, он "устарел", не мог знать того офигительного экспоненциального прогресса, который произойдёт в области фотовольтаики - не более, чем нападки. Карно свой цикл в 1824 году придумал, и он до сих пор не устарел, как не устарела вся термодинамика - не удаётся её обмануть, хоть ты тресни!
Использование разработок ФТИ на протяжении более полувека.
Комментарии
Все эти законы физики - это прошлое. Противное такое.
Продаваны уже давно впаривают "СБ с практически 100% эффективностью" и народ хавает! "Практически 100% эффективность" на самом деле
Но поклонникам розовых единорогов это по
рогубоку.На как раз сфокусированных достигалось более 40 в ФТИ лет 15-20 назад суть в тонких слоях НЕСКОЛЬКИХ с поглощением одного диапазона длин волн. На деле слой грубо 30 в лучшем случае но вот вместе они 40-45% таки как раз и могут. Многослойные как раз и дают
"для концентрированного света и при охлаждении кристалла. "
Жаже при отрезав далее ближнего ИК свет вы будете иметь то что имеете.
КПД теплового преобразования можетюыть выше 90% при этому механический КПД тербин более 70 может быть на некоторых средах а на ПВМ 63% т.е. в механическую энергию реалистично ПОЛОВИНУ, возможно чуть более от падающей энергии вкачивать. В условиях Раджастана в Индии это до 850Вт на м2 по нормали к солнечному потоку.
Да, фотовольтаика пока сильно уступает тепловым машинам. Самое дешвое - КПД необычайно низок - преобразования в биомассу.
так КПД фотосинтеза при возделывании ярового ячменя чуть более 2,5%.
НО мы имеем солому как топливо с КПД утилизации в тепло в пиролизных котлах до 75% С учетом прочих имеем преобразование в электричество в районе 1-1,1%
Второе НО - себестоимость крайне низска и мы имеем ячмень - еду для людей и полезных животных так что электроэнергия тут - побочный продукт.
Если грубо считать 2млрд тонн зерновых в год то соломы, условно её в 1,5 раза больше, будет условно же порядка 3млрд тонн. Условно считая 1,5МДж на кг производим с учётом сквозного КПД порядка 50% от полной теплоты сгорания. 2,25, грубо 2,3*1015Дж. Получим 182 ГВт*ч электроэнергии в год Человечесвто может получить тоьлко от зерновых. Реально 150 ГВт*ч электроэнергии в год, т.к. солома ещё много куда идёт. На 2016 год согласно Википедии было пордка 300Гвт*ч солнечной электроэенргии выработано Человечеством. Всего два раза больше чем от одной соломы одних зерновых. это 1,5 % всей электроэнергии в том году произведённой если верить Википедии. Если считать и прочие то биомасса может 10-20% давать энергии, при этом цикл замкнуты - живительный для растений СО2 является для них эффективным газовым удобрением.
Можно ли заменить биосистемы? Можно но надо считать экологические последствия. Если умеренно то в солнечных НЕпыльных местах может быть выгодно. Потом как запасать? Если КПД запасения сквозной фототермохимических реакций 30-35% был, КПД запасания всего 60-65% но там себестоимость некоторых раствовров и расплавов солей от 25 рублей до тысяч на кг у послених ёмкость выше чем у любых аккумуляторов и они выгоднее их если дешёвое солнце.
Ссылок несколько и они могут быть даны если это будет заказная работа.
Купите панель со 100% эффективность. А лучше - стащите!
Нет таких, физически невозможно. Самое эффективное это вакуумный плоский коллектор на преп образование в тепло применяемое для приготовления ГВС на помыться и для технологических целей, 140 а в металлическими носителями и несколько сотен градусов достижимы - что-то ещё на жидкометаллических реакторах "Лир" 705 проекта отработано было.
Возвращаясь к теме статьи:
КПД в наземных условиях с концентрацией каскадных солнечных элементов на 2004 год в обзорной статье у Алфёрова до 49% для пятикаскадных структур, на деле и более полтинника можно, вопрос цены и прочего, в целом это очень много и можно утилизировать спектры которые не используются вытягивая до 60-65% от падающего света.
Это вопрос технологий и ЦЕНЫ. Пока она так себе как и нет аккумуляторов приемлемой энергоёмкости. Даже у самых лучших она хуже чем у метана из природного газа или получаемого с биомассы, например с торфа - возобновляемого источника.
Это результаты изучения, лет 15 есть и образцы работающих установок. Вопрос в ряде деталей вроде перечисленных и некоторых не меречисленных.
Коэффициент усвоения энергии солнца тепловыми системами может быть льизким к 100% есть покрытия сверхчёрные 2 поколения. Лидеры официально США на деле мы и Китай.
Возможно! Я в самом первом комментарии указал как.
.
Спасибо. Таких авторов немного, ради них стОит заходить на АШ.
В школы бы таких людей, преподавателями!
возможно потому что у нас два глаза(а между ними расстояние) на лице расположены горизонтально...проверить можно оставив зеркало неподвижно как оно есть - а самому лечь горизонтально - так чтобы глаза были по вертикали:))
A у тебя правo и левo меняется в зеркале?! Tак тебе к врачу надо и отнюдь не к окулисту.
A пока ждёшь в очереди проведи научный эксперимент - посмотри в зеркало одним глазом, Конечно можно зажмурить, но в твоём случаe лучше сразу один глаз выколоть, наука как известно требует жертв, даже если это жертвы аборта.
петушило, ещё раз прочитай моё предположение - оно начинается со слова - "возможно"...возможно - да...возможно - нет...
вечно для дебилов приходится разжёвывать
Пожалуй, в пятницу расскажу отдельным постом, в раздел "юмор" :) Физики шутят, вот это вот всё.
Мне нравится подход ТС.
Спасибо! Просвещать камрадов надо, кратко и по делу.
А то - забывать стали учебники.
Но Капица реально не учитывал тепло Земли - из ядра планеты так сказать.
А оно есть. Наряду с гравитацией/притяжением. И типа связано с нею - сравни - на Солнце, Юпитере, Земле, Марсе...
Вы забыли про британских учОных.
Что до остального, то могу сказать лишь спасибо автору...
Перспективный чат детектед! Сим повелеваю - внести запись в реестр самых обсуждаемых за последние 4 часа.
Ты чо с козырей то заходишь сразу. Нельзя как-то полегче? А то тут у эльфов на скутерах, не дай бог, мозжечок бабахнет.
Чудесно прелестно, прямо в компанию к Владиславу с его переносом масс... Я так понимаю процентов 90 здесь такие же альтернативно одарённые неадекваты.
возразите по существу. "я дартаньян, а все п-сы " не канает.
Хорошо, спасибо. Много труда.
Уже того достаточно, что энергия солнца для нас бесплатная. Вопрос только в затратах на производство. "Бесплатному сыру в дырки не смотрят".
На самом деле, всё вокруг - бесплатное. Вопрос лишь в стоимости отъема.
Точнее, хто это первым приватизировал.
ЭЭхм- ну безусловно напомнить о различных законах природы это прикольно но в принципе подход несколько бессмысленный- типа - "а давайте будем рассматривать вполне конкретное физическое явление как паровоз и посчитаем какой ширины колея нам нужна"... - ну это я утрирую....ну тоесть давайте определим кпд вот так и посчитаем что будет....понятие КПД как таковое к физике особого отношения не имеет - можно выбрать любые два произвольных момента преобразования энергии и посмотреть разницу..... это будет не более полезно чем посчитать кпд взяв за полную энергию всю лучистую энергию солнца ( почему бы нет?)...а можно и не только лучистую но и внутреннюю. и применить к солнцу формулы машины карно...а чего нет то...Ну тоесть вы же должны понимать что цикл Карно описывает процесс теплового расширения и сжатия ? и его формулы кпд как бы оценивают работу с этой точки зрения?? при чем тут вероятностный квантовый процесс захвата фотонов?? вот могу порекомендовать литературку по теме поглощения света при переходе электрона с уровня акцептора в зону проводимости. ну тоесть есть же разница между вопросом- "до какой теоретической температуры мы можем раскалить физическое тело используя солнечную радиацию" и " оценка вероятности захвата фотонов в p-n переходе"
Оценку сверху оно даёт - лучше сделать уже не получится, потому что если получилось бы - это вечный двигатель второго рода, тогда нам солнышко уже не нужно, качаем тепло из океана, пока он не заледенеет!
Грубо говоря, кто-то заявил, что создал солнечную батарею с КПД 99%. Тогда если к ней подключить тепловой насос, раскаляющий это самое физическое тело, то сможем питать эту солнечную батарею от разогретого физического тела, и ещё немножко энергии получим "в плюс". В конечном итоге эта штука будет чуть-чуть охлаждать воздух и давать электроэнергию, без солнца вообще.
У фотовольтаники есть свои ограничения на КПД, особенности запрещённых зон в полупроводниках и прочая хурма. Порядка 30%, кажется получается, но могу наврать, я не настоящий физик.
Панели с высоким КПД представляют собой стопку разных панелей плюс всяческие ухищрения с редкоземеьными.
Но большой ни КПД ни большая плотность энергии на самом деле не так уж и нужны. У ГидроЭлетроСтаниций съём энергии с единицы площади водохранилища совершенно ничтожен. А если пересчитать на площадь всего бассейна водосбора - то вообще пшик получается. Но работают же
Вот для того и нужно иногда "сверху" взглянуть, безотносительно к фотовольтаике как таковой! В одном-то переходе разобраться нелегко, а когда из них бутерброд собираешь, легко чего-то упустить. А тут уж точно получаешь оценку "сверху", выше которой - уже вечный двигатель.
Не понял.
Там p-n переход, где электроны выбиваются вод воздействием излучения. При чем тут тепловая машина ?
Изучение pn-перехода начинается с термодинамики: распределение энергий свободных носителей заряда. Оттуда уже получаются формулы для диффузионных и дрейфовых токов, и наконец формула вольт-амперной характеристики. Не зря же там повсюду 25 мВ встречается, всё потому что 25 миллиэлектронвольт - это средняя кинетическая энергия носителей заряда при комнатной температуре.
Об этом и говорю: термин "тепловая машина" толкуют слишком узко. Типа, во втором семестре у нас термодинамика, говорим о тепловых машинах. В третьем оптика, изучаем дифракцию. В четвёртом твёрдое тело, разбираемся в полупроводниках. Есть неупорядоченная энергия, хотим превратить её в упорядоченную - это тепловая машина, как её ни назови!
В тепловой машине существует теплоноситель, на разнице температур которого осуществляется работа, которая может быть преобразована в электричество.
Здесь теплоносителя нет. Энергия преобразуется напрямую из фотонов в электроны, возбуждая электрический ток. Это не тепловая машина.
Более того, ваше утверждение про светодиоды неверно. Теоретически имея фотоэлемент одной волны и направив на него лазер такой же волны мы достигнем КПД близким к 100%. Низкий КПД фотоэлементов обусловлен тем, что они улавливают лишь часть спектра солнечного излучения и значительная часть энергии просто проходит мимо.
Блин... Ну кто, когда, в каком ПТУ Вам рассказал, что "тепловая машина" - это про какие-то "теплоносители"?! Тепловая машина - это абстракция, отражающая Второе Начало термодинамики. Которая есть фундаментальное свойство нашей Вселенной... разве что нашли его впервые на примере какой-то машины с газом.
Излучение лазера (в идеале) имеет нулевую энтропию, и, следовательно, бесконечно высокий термодинамический потенциал, бесконечную температуру. Это эквивалент электроэнергии или механической работы.
Теплоноситель это вещество, которое переносит энергию от теплого участка к холодному. Переносит!
В фотоэлементах же никакого переноса нет. Это просто преобразование одного вида энергии в другой. Перенос энергии осуществляется дальше - когда электричество преобразуется в механическую работу или нагрев.
Не говорите ерунды, пожалуйста. Главное - понятие "тепловая машина" вообще не подразумевает никакого "теплоносителя". Это вообще параллельно, или, в самом лучшем случае, ортогонально.
Теплоносителем тут является электромагнитное излучение. Фотонный газ, имеющий свою энергию, энтропию и температуру. Но ещё раз: это неважно.
Прекрасно. Фотонный газ, ясно-понятно. Только при чем тут КПД ?
А теперь ответьте на простой вопрос.
Какой КПД преобразования электрон-фотон-электрон ?
Не при чём. О чём я сразу и сказал. Второе начало - очень даже при чём, а фотонный газ - вот вообще нет.
Абсолютно бессмысленный вопрос. Лептонное число не сохраняется, угу? Нет такого "преобразования".
Т.е. получается и в случае с панелями повышать КПД можно за счёт когенерации (так же как с теплогенератора тепло + электричество). Снимаем 20-30% в виде электричества и ещё 20-30% за счёт нагрева теплоносителя? Такой гибрид электропанели с солнечным коллектором?
Или не взлетит?
Нагрев теплоносителя до тех температур, когда можно его заставить крутить турбину, на панельках невозможен. Только для нужд отопления, а где солнце светит ярко из зенита, отопление обычно не в цене. Далеко транспортировать - потери.
Вы заблуждаетесь. Во-первых нагревать воду для ГВС надо везде, даже и особенно там где солнца много, во-вторых в тёплых краях ночью кондиционеры включают на обогрев потому как суточный перепад температур большой, если не брать исключительно летние месяцы, а рассмотреть осень-весну.
Дополнительным бонусом получим больший выход электричества при охлаждении матриц. Думаю должно взлететь, вопрос цены такого гибрида...
PS Далеко транспортировать не надо - обычно это дело на крыше ставят и используют в том же доме. Турция не даст соврать, да и в Крыму много где видел коллекторы на крышах.
Доводы логичны. Тут надо экономику считать.
как ни странно, панели в жарких странах имеют КПД ниже, чем в странах с умеренным климатом. Нагрев теплоносителя за счет охлаждения панелей - штука занятная, но сильно не нагреешь
Что-то низкотемпературное по идее можно забабахать. Скажем, охлаждать панели теплоносителем, который будет разогреваться от силы до +40 °С. Уже на что-то полезное можно пустить (главное, недалеко), и панельке покомфортнее (при естественном охлаждении, да на ярком солнышке, да в жару она гораздо сильнее разогревается). Но опять всё в стоимость упирается, возни сильно больше.
Есть станции солнечной генерации с зеркалами, и вообще безо всяких панелек. Бачок с рабочим телом в фокусе, и тепловая машина.
Все придумано до нас.
А ещё так металл плавили в 19-м как минимум веке. Вопрос был не об этом.
Спасибо, интересно. Хотя на физфаке именно термодинамика и оптика вызывали у меня отвращение...
Мне вот давно интересно, а биохимическими источниками ЭЭ кто-нибудь занимается? А то посмотришь на электрического ската, как тот крокодила убивает своим разрядом, и думаешь: мне бы на дачу парочку таких - одного на холодильник, другого - на освещение...
Оптимальное КПД солнечных панелей - в космосе. Остальное - мрии.
Разница не так уж велика. На поверхности 1000 Вт/м2 примерно, в космосе 1360 Вт/м2. Приятно, что облачности нет, и есть особенно светлые орбиты, где всегда светит Солнце. Грубо говоря, выигрыш в 3-4 раза. И ради этих 3-4 раз так заморачиваться (из серии: солнечные фермы на геостационаре, СВЧ генератор, передающий энергию на Землю, поля ректенн на Земле) не вижу смысла, оно окупится примерно никогда. По моему циничному мнению, эту штуковину продолжали мусолить чтобы дать цель шаттлам и вообще космической экспансии, потому что уж очень хочется :)
Соглашусь, но на нынешнем этапе - только космос. Всяких "если", типа облачности и т.п. меньше.
Ну почему только космос - на ту же станцию "восток" на случай форсмажора можно поставить. Хотя там и без того сейчас нехилый комплекс с тройным резервированием генерации ставят. ну и в общем вроде бы до сих пор вернуть человека из космоса оперативно куда проще чем с Восток-а полярной зимой, как раз когда панельки абсолютно бесполезны) И в экспедициях в отрыв от цивилизации могут пригодится. Короче совсем хоронить панельки я бы не стал, просто применять их надо с умом там где уместно и без фантазий понимая что они реально могут дать.
Не надо передавать энергию на землю из космоса. Перегреем. Баланс очень тонкий.
нас учили что реальный КПД солнечной батареи в космосе не превышает 15-20%. Температурные режимы, износ от микропыли, производственный брак
Если действительно фотовольтаика - это вид тепловой машины, то наиболее эффективная солнечная панель должна иметь черноту как сажа, с максимальным поглощением фотонов. Я еще в универе думал, почему панельки не стремятся делать абсолютно черными? Ведь логично, выше КПД - чернее поглотитель. Просто механизм преобразования излучения в ток не совершенен, и поэтому такие потери.
Страницы