Теоретический КПД солнечных батарей и светодиодов
Некоторое время назад я задавал вопрос, почему сейчас коммерчески доступны светодиоды с к.п.д 60%, в то время как солнечные батареи едва переступают порог в 20%. Пора наконец на него ответить.
Если совсем кратко, все дело во втором законе термодинамики. Солнечный свет - это по сути тепловое излучение, поэтому несет в себе не только энергию, но и энтропию - ее солнечная батарея обязана "сбросить" в виде тепла. Максимально возможный к.п.д составляет 86..90% (зависит от выбранных условий - в космосе работаем или на Земле, сбрасываем тепло окружающему воздуху или отдаем с помощью радиаторов в космическое пространство), для этого необходимо максимально сфокусировать солнечные лучи, так что фотоприемник не будет "видеть" ничего, кроме Солнца. Если же хочется изготовить панель, способную воспринимать свет с любого направления, к.п.д придется пожертвовать, теперь он составит не более 55%. Можно даже заранее предсказать, как должна выглядеть такая идеальная солнечная батарея при работе: еле-еле светиться красным, как уголек.
Светодиоды выполняют обратное преобразование и могут, подобно тепловому насосу иметь электрическую эффективность более 1. Если, например, мы хотим получить освещенность в протяженном зале в 200лк и готовы ради этого изготовить светодиодный "рулон", покрывающий весь потолок (т.е свет максимально неупорядоченный - светит с гигантской поверхности и равномерно во все стороны), то в идеале такой светодиод, потребляя каждый ватт электрической энергии, будет давать 1.3 Вт лучистой энергии, оставшиеся 0.3Вт забирая за счет охлаждения окружающего воздуха. Если нужен более интенсивный свет, электрическая эффективность будет падать, для солнечного имитатора достигая 1.05. Собственно, это ничто иное, как эффективность теплового насоса, нагревающего тело до 5600К.
Полный ответ, дающий обоснование сказанному выше, получится довольно объемным, и я думаю разделить его на несколько постов, объединенных тегом " Теоретический КПД солнечной батареи". Возможно, что это выводится буквально в несколько строчек через термодинамические потенциалы, но увы, я не теорфизик, придется пойти окольным путем. Строить мысленные эксперименты, воображая оптические "вечные двигатели 2-го рода" и разбираясь, почему же они не заработают, это поможет лучше понять взаимосвязи между оптикой и термодинамикой. А дальше заняться старыми добрыми машинами Карно, стараясь достичь обратимости на всем пути от Солнца до электрогенератора.
Надеюсь, рассказ вам понравится. Первую главу напишу на этой неделе.
Если совсем кратко, все дело во втором законе термодинамики. Солнечный свет - это по сути тепловое излучение, поэтому несет в себе не только энергию, но и энтропию - ее солнечная батарея обязана "сбросить" в виде тепла. Максимально возможный к.п.д составляет 86..90% (зависит от выбранных условий - в космосе работаем или на Земле, сбрасываем тепло окружающему воздуху или отдаем с помощью радиаторов в космическое пространство), для этого необходимо максимально сфокусировать солнечные лучи, так что фотоприемник не будет "видеть" ничего, кроме Солнца. Если же хочется изготовить панель, способную воспринимать свет с любого направления, к.п.д придется пожертвовать, теперь он составит не более 55%. Можно даже заранее предсказать, как должна выглядеть такая идеальная солнечная батарея при работе: еле-еле светиться красным, как уголек.
Светодиоды выполняют обратное преобразование и могут, подобно тепловому насосу иметь электрическую эффективность более 1. Если, например, мы хотим получить освещенность в протяженном зале в 200лк и готовы ради этого изготовить светодиодный "рулон", покрывающий весь потолок (т.е свет максимально неупорядоченный - светит с гигантской поверхности и равномерно во все стороны), то в идеале такой светодиод, потребляя каждый ватт электрической энергии, будет давать 1.3 Вт лучистой энергии, оставшиеся 0.3Вт забирая за счет охлаждения окружающего воздуха. Если нужен более интенсивный свет, электрическая эффективность будет падать, для солнечного имитатора достигая 1.05. Собственно, это ничто иное, как эффективность теплового насоса, нагревающего тело до 5600К.
Полный ответ, дающий обоснование сказанному выше, получится довольно объемным, и я думаю разделить его на несколько постов, объединенных тегом " Теоретический КПД солнечной батареи". Возможно, что это выводится буквально в несколько строчек через термодинамические потенциалы, но увы, я не теорфизик, придется пойти окольным путем. Строить мысленные эксперименты, воображая оптические "вечные двигатели 2-го рода" и разбираясь, почему же они не заработают, это поможет лучше понять взаимосвязи между оптикой и термодинамикой. А дальше заняться старыми добрыми машинами Карно, стараясь достичь обратимости на всем пути от Солнца до электрогенератора.
Надеюсь, рассказ вам понравится. Первую главу напишу на этой неделе.