Perché i pannelli solari sono efficienti solo del 20% circa (so che ce ne sono di più alti e più bassi, ma perché sono così inefficienti, perché non possono essere efficienti al 90%, ad esempio)?

Fisica e costi.

Il limite di efficienza teorico è 95%. Questo è determinato esclusivamente dalla temperatura del sole e dalla temperatura della terra. Qualunque cosa tu faccia, un'efficienza maggiore non è mai possibile.

Tuttavia, ci sono un paio di limitazioni. Innanzitutto, il pannello solare deve inviare anche leggero: la temperatura del pannello è superiore allo zero assoluto, quindi emette calore. Questo lo porta a 86. 8%. Ma ciò presuppone che la luce in arrivo provenga da ogni direzione contemporaneamente. In pratica il sole copre solo una piccola parte di cielo, portandolo ancora più in basso a 68, 7%. E questo è ancora con una cella solare perfetta! Ciò presuppone che la cella sia infinitamente spessa e abbia zero perdite.

Se proviamo a costruire effettivamente celle, il meglio che possiamo fare attualmente è intorno 33. 4%, che non è male! Ma quelle celle sono costituite da più strati, utilizzano materiali esotici e sono molto costose da costruire. È più economico costruire celle meno complicate . Si scopre che non ci interessa davvero l'efficienza assoluta: c'è molta luce solare disponibile. Vogliamo solo la massima potenza al minor costo.

Il tipo di cella più comune (ed economico) è “single-junction”. Il limite di efficienza teorico per quelli è 33. 16%. Poi abbiamo delle perdite dovute al rivestimento protettivo, al cablaggio, non potendo coprire 100% di il pannello con le celle e un sacco di altre piccole cose.

Quindi sì, potrebbe non sembrare molto, ma un'efficienza nel 20 ish% non è poi così male. Non aspettarti nulla oltre 16% presto, perché noi ti stai già avvicinando rapidamente ai limiti della fisica!

Il mio insegnante di fisica mi ha spiegato questo e io sono praticamente 5, quindi ecco qui.

La spiegazione più semplice che ha dato è stata di pensarci in questo modo. Se viene generato attrito, calore o persino suono, l'energia viene persa. L'energia va a produrli invece che a produrre elettricità. La luce del sole è calda, vero? Il riscaldamento dei pannelli solari significa che l'energia viene persa perché l'energia che doveva essere convertita in energia elettrica diventa invece energia termica. Inoltre, i pannelli solari non possono catturare tutta l'energia del sole perché alcuni lo colpiscono con l'angolazione sbagliata o vengono rovinati dalle nuvole. Come una grande rete che cerca di afferrare le palle lanciate contro di essa, ma gli spazi vuoti nella rete a volte sono abbastanza grandi da farci scivolare una palla.

90% è anche un numero molto alto per l'efficienza. Qualcuno in classe ha chiesto la stessa cosa. Anche le auto a gas non ce l'hanno. potremmo risolvere la nostra crisi energetica con un motore del genere. Se conoscessi un modo, diventeresti facilmente l'uomo più ricco della terra.

Il problema principale è che è estremamente difficile costruire una singola cosa che possa interagire con l'intero spettro elettromagnetico in una volta. Proprio come il modo in cui i tuoi occhi non possono rilevare la luce infrarossa o ultravioletta.

Per fargli rilevare quel tipo di luce, dovremmo aggiungere componenti completamente differenti. Ciò renderebbe l'intera cosa più costosa e più grande. E dovremmo continuare ad aggiungere più componenti e renderli più costosi e più grandi per ciascuno.

Non è affatto conveniente fai tutto questo. E questo anche senza l'aumento dei costi di produzione, installazione e manutenzione.

Fino a quando non troveremo un modo per affrontarli questo problema, non saremo mai in grado di ottenere quei numeri molto alti.

E anche allora, siamo ancora solo in grado di ottenere la luce solare da una parte molto piccola del cielo. Tutto tranne la luce solare diretta riduce drasticamente quanto può convertire. I sistemi che tracciano il sole sono un miglioramento, ma non una soluzione.

Il commento principale non menziona PERCHÉ l'architettura a giunzione singola riduce così tanto l'efficienza teorica, quindi parliamone un po 'tra 5 anni termini.

Le celle solari funzionano quando un fotone di luce colpisce un semiconduttore e fa cadere un elettrone attraverso una giunzione elettrica. Questo elettrone ora assume l'energia che guadagna attraversando la giunzione, e questa è la quantità di energia che prende dal fotone.

Ma diversi colori di luce hanno una diversa quantità di energia, quelli viola e blu ne hanno di più, quelli rossi hanno meno. Tuttavia, la giunzione ha un unico livello di energia. Se un fotone che ha esattamente la stessa quantità di energia della giunzione colpisce, tutta la sua energia viene convertita in elettricità. Ma la maggior parte dei fotoni ne ha più o meno. Se ne hanno di meno, non possono colpire un elettrone sulla giunzione. E non possono nemmeno “aggregarsi”: non importa quanti fotoni di energia inferiore colpiscono, non possono battere l'elettrone. Quindi TUTTA l'energia di quei fotoni è persa. Ora, se un fotone ha più energia, colpirà l'elettrone, ma trasforma solo l'energia della giunzione in elettricità. L '”extra” è perso. Quindi questi due fattori abbassano notevolmente l'efficienza teorica.

Se l'energia di giunzione è troppo alta, si perdono troppi elettroni che possono 't attivare un elettrone. Se è troppo basso, perderai troppa energia dai fotoni che ottieni. Nel caso del silicio, l'energia di giunzione è piuttosto bassa, nella regione rossa. Quindi ottieni la maggior parte dei tuoi fotoni, ma sono per lo più tagliati in energia. Ma la maggior parte dei fotoni si trova nella regione verde e ci sono molti più fotoni rossi che blu, quindi è un compromesso decente. Inoltre è un materiale facile con cui lavorare.

Ora puoi aumentare enormemente l'efficienza teorica e quindi pratica avendo più tipi di semiconduttori ciascuno con la propria energia di giunzione. Li disponi in modo che i fotoni possano essere assorbiti nella regione che ha un'energia di giunzione che corrisponde strettamente all'energia del fotone. Quindi massimizzi il numero di fotoni che ottieni E l'energia che ottieni da ogni fotone. Ma questi sono più difficili e più costosi da realizzare, quindi poiché abbiamo tonnellate di terra su cui mettere l'energia solare, rendendo l'efficienza una priorità inferiore al prezzo, non li usiamo molto. Tuttavia, nei casi in cui l'efficienza è suprema, come i veicoli spaziali, questi vengono utilizzati.

Informazioni tangenziali: le centrali termiche (carbone, gas, nucleare) sono lontane da 100% efficiente anche, circa 30 – 40% viene convertito in energia elettrica, il resto è calore di scarto (che può essere effettivamente riutilizzato, in un impianto di cogenerazione, per fornire riscaldamento ai comuni limitrofi).