Será gerada mais eletricidade usando uma lente para focalizar a luz solar nas células solares?

Eu estive pensando sobre esta questão há algum tempo. Assumindo um caso ideal, a energia dos fótons atingindo as células solares é convertida em energia elétrica, conforme descrito pela equação:

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

onde é a frequência de fótons. O uso de uma lente não aumenta a frequência de fótons, portanto, nenhuma eletricidade extra é gerada.$\nu$

Estou certo ao pensar que nenhuma eletricidade extra será gerada pelas células solares quando uma lente é usada para focalizar a luz nelas?

Sua equação está parcialmente correta. Você calculou a energia por fóton ( ), mas negligenciou o número de fótons. É por isso que as unidades não correspondem (energia é energia por unidade de tempo, enquanto você só tem energia para cada fóton).$\hbar \nu$

A potência ideal (energia por unidade de tempo) depende da área do painel solar, , do número de fótons que a atingem por unidade de tempo ( ) e da energia de cada fóton, , de modo que .$A_p$$\Phi$$E$$W_{Ideal} =A_p \cdot \Phi \cdot E$

Uma lente ou espelho pode focalizar a luz (um fluxo de fótons) em uma pequena área. Sob condições realmente ideais, a área da lente ( ) substitui na fórmula acima. Portanto, se a lente for maior que o painel solar, poderá capturar um fluxo maior de fótons e direcioná-los para o painel, aumentando a potência.$A_L$$A_p$

Sim, aumentar a iluminação em uma célula solar usando lentes ou espelhos aumenta a produção de energia elétrica.

No entanto, existem fatores limitantes. A eficiência de uma célula solar diminui com a temperatura. A corrente permanece aproximadamente proporcional ao fluxo de fótons, mas a tensão do circuito aberto diminui à medida que a junção semicondutora é aquecida. Ainda assim, mais fluxo gera mais potência, embora não de maneira linear.

Continue e a célula solar fica tão quente que o semicondutor de que é feito não funciona mais como um semicondutor. Isso é cerca de 150 ° C para o silício. Se você conseguir manter a célula fria, poderá atingi-la com maior fluxo de fótons. No entanto, outros efeitos não lineares começam a atrapalhar e você começa a obter retornos decrescentes em altos níveis de fluxo.

Quanto maior a densidade de fótons na frequência de interesse, mais a potência dos fótons excita os elétrons do semicondutor para orbitais de energia mais alta para o gap de banda e além. Dito isto, como Olin afirmou, o aumento não é linear. Eventualmente, à medida que a temperatura aumenta, a intensidade aumentada do fóton resulta em incrementos sempre decrescentes de potência.

Minha sugestão seria usar filtros de lente e outros métodos para rejeitar os comprimentos de onda do fóton que não são benéficos. Queremos apenas os fótons de comprimento de onda sintonizados para excitar os elétrons através do gap para esse semicondutor em particular.

Qualquer fóton que não faça isso apenas causa aumento de temperatura. Então você deseja aumentar a densidade de fótons incidentes apenas dos fótons relevantes.

Você pode realmente resfriar as matrizes solares por dissipadores de calor de alumínio abaixo deles, que passam a água através deles para fins de aquecedor de água. Eu vi essa configuração em uma feira. Era de uma empresa espanhola, mas não me lembro do nome. A instalação combinava energia solar para aquecimento de eletricidade e água convectiva.

Uma nova maneira de converter energia solar foi descoberta na Universidade de Michigan. Confira: https://phys.org/news/2011-04-solar-power-cells-hidden-magnetic.html

Utiliza o componente magnético da luz que se manifesta quando a luz de alta intensidade passa por um material transparente, mas não eletricamente condutor, o vidro, por exemplo. A luz deve ser focada a uma intensidade de 10 milhões de watts por centímetro quadrado. A luz solar não é tão intensa por si só, mas estão sendo procurados novos materiais que funcionariam em intensidades mais baixas.

Sua concentração de luz usando lentes e espelhos tem potencial limitado para extrair mais energia da célula solar convencional, mas certamente aumentaria a energia elétrica com esse novo método.