Расчет эффективности солнечных батарей

Когда вы сидите на пляже, голубое небо, которое вы видите, тепло, которое вы чувствуете, и волны, которые вы слышите, берут начало в энергии солнечного света. Фотоэлектрические солнечные элементы - это способ преобразования энергии солнечного света во что-то другое, кроме приятного отпуска. Солнечные элементы преобразуют энергию солнечного света в электрическую. Эффективность солнечного элемента - это отношение количества вырабатываемой электроэнергии к количеству солнечной энергии, которая попадает в него.

Эффективность любого процесса - это мера того, насколько хорошо он работает. То есть, сколько усилий нужно приложить, чтобы получить результат. Иногда эффективность трудно определить количественно, но для солнечных батарей это относительно легко. Входом в солнечную батарею является солнечный свет, а на выходе - электричество. В частности, на входе поступает энергия солнечного света, а на выходе - энергия электронов.

На фундаментальном уровне свет состоит из крошечных пакетов энергии, называемых фотонами. В любой момент дня миллиарды фотонов взаимодействуют с солнечным элементом. Эти фотоны несут разное количество энергии в зависимости от своего цвета. Некоторые фотоны отражаются от солнечного элемента, некоторые проходят через него, а некоторые поглощаются. Судьба любого фотона зависит от его энергии или, что то же самое, от его цвета. Невозможно с уверенностью предсказать поведение какого-либо конкретного фотона, но можно рассчитать вероятность взаимодействия.

Подавляющее большинство солнечных элементов изготовлено из полупроводников. Одной из особенностей полупроводников являются энергетические структуры, называемые «запрещенной зоной». Электроны на нижней стороне запрещенной зоны захватываются на месте, в то время как электроны, которые получают Повышение энергии до верхней стороны запрещенной зоны может свободно перемещаться, в том числе свободно перемещаться из полупроводника и делать себя полезными в электрических схемы. Фотоны, которые несут энергию, близкую к размеру запрещенной зоны в солнечном элементе, с наибольшей вероятностью будут поглощены. Чтобы вычислить эффективность, вам нужно умножить энергию каждого фотона на вероятность его поглощения и вероятность выхода из солнечного элемента в электрическую цепь. Это довольно сложный расчет.

Вычислить эффективность, исходя из первых принципов, сложно, но если у вас есть подходящие инструменты измерения, вы сможете упростить расчет. С помощью радиометра можно измерить плотность мощности при солнечном свете. Умножение плотности мощности на площадь солнечного элемента позволяет определить количество солнечной энергии, поступающей в солнечный элемент. Вы делаете следующий шаг, присоединяя схему с переменным резистором, датчиком тока и датчиком напряжения. Электроэнергия - это произведение тока и напряжения, и она изменяется в зависимости от величины нагрузки, которую несет солнечный элемент. Таким образом, вы меняете сопротивление, вычисляете мощность на каждом шаге и находите точку максимальной мощности. Разделите максимальную выходную электрическую мощность на потребляемую солнечную энергию, и вы получите эффективность солнечного элемента.