Чем отличается утренний солнечный свет от того, что он не производит столько электричества, сколько в полдень?

Изображение солнечного луча

Представьте, что у меня есть установка солнечной панели, как на картинке выше. На верхнем наброске изображены солнечные лучи ранним утром около 6 утра на ясном ярком небе. На нижнем наброске изображен солнечный луч, падающий на солнечную панель около 8 утра.

Я установил солнечную панель на горе, где мы обычно видим солнце более 12 часов в сутки. Я обнаружил, что даже если я поверну солнечную панель перпендикулярно лучам раннего утра, она не будет производить много электричества. Но когда около 8 часов утра солнечная панель будет направлена ​​перпендикулярно солнцу, вырабатываемая ею электроэнергия увеличится почти до максимальной производительности, мало чем отличающейся от производительности в полдень. Количественно это обычно увеличение напряжения примерно с 5 В до 16 В, максимум 18 В. В данном случае это то же солнце, то же место, та же солнечная панель и то же состояние (она обращена перпендикулярно солнечному лучу, как на картинке). Так что же тут такого особенного по утрам, что выход такой разный?

Ответы (3)

Когда солнце находится близко к горизонту, солнечным лучам приходится проходить через большее количество воздуха, чтобы добраться до вас, чем когда оно находится прямо над головой. Это явление известно как атмосферное вымирание , и на этой странице есть красивая мультяшная диаграмма, иллюстрирующая его:

введите описание изображения здесь

Этот эффект может быть довольно большим. На этой странице есть график приблизительного эффекта в зависимости от зенитного угла , который представляет собой угол прямо над головой; поэтому зенитный угол 90 ° - это объект на горизонте.

введите описание изображения здесь

Этот график логарифмический; каждая единица по вертикальной оси соответствует примерно в 2,5 раза меньшей энергии, попадающей на землю. Мы можем видеть, что все, что находится ближе, чем примерно 15° к горизонту, будет иметь существенное ослабление света, достаточно, чтобы вы заметили это на измерителе мощности.

Кроме того, солнечный свет у горизонта сильно краснеет; синий свет с большей вероятностью будет рассеиваться молекулами в воздухе, а красный свет, скорее всего, пройдет прямо через атмосферу к вашей солнечной панели. (Вот почему закаты красные и оранжевые по сравнению со светом, который вы видите в течение дня.) Грубо говоря, ваши солнечные панели поглощают частицы света (фотоны) и превращают их в электрическую энергию. Но из-за свойств солнечных элементов существует минимальная энергия, которой должен обладать фотон (называемая шириной запрещенной зоны).) для возбуждения любого электричества вообще. Более красные фотоны обладают меньшей энергией, чем более голубые фотоны, поэтому красные фотоны, которые преобладают в солнечном свете у горизонта, могут быть не в состоянии генерировать электричество. а те, которые попадают на вашу солнечную панель, в среднем имеют меньше энергии и не могут генерировать электричество.

* Я говорю «не может», потому что инженеры по солнечным панелям — умные люди, и есть несколько более современных типов солнечных панелей, которые лучше преобразовывают солнечный свет в электричество в широком диапазоне энергий фотонов. Посмотрите «многопереходные ячейки» для получения дополнительной информации.

Цитата: « Солнечный свет у горизонта существенно окрашен в красный цвет; синий свет с большей вероятностью рассеивается молекулами в воздухе, в то время как красный свет с большей вероятностью проходит прямо через атмосферу к вашей солнечной панели». Я думаю, что это ответ, поскольку я считаю, что речь идет о фотоэлектрических элементах, поскольку это солнечная панель.
Я принял твой ответ. Я уверен, что это ответ, отсутствие синего света (который является высокой частотой). Значит, только нижний спектр достигает солнечной панели.
@AirCraftLover Интересно, как ты можешь быть таким уверенным. Для меня определенно не очевидно, что большее рассеяние синего света имеет больший эффект, чем общее поглощение атмосферы. На самом деле моя интуиция подсказывает, что последний эффект важнее (но я, конечно, в любом случае не знаю).
@d_b: Честно говоря, я тоже так думаю.
@d_b в этом видео хорошо объясняется фотоэффект, особенно упоминается красный и синий свет. Как мы знаем, свет исходит от солнца РОЙГБИВ (Красный, Оранжевый, Желтый, Зеленый, Синий, Индиго, Фиолетовый). Красный - более низкая частота, значит будет производить меньше фотонной энергии. Фиолетовый — более высокая энергия, которая будет производить более высокую энергию фотонов. Когда мы видим утреннее солнце, свет выглядит просто красным, оранжевым, желтым. Таким образом, они будут производить меньше фотонной энергии. Чего я раньше не понимал, так это рассеяния света из-за молекул воздуха.
@AirCraftLover: Если вы предоставите более подробную информацию о производителе и модели вашей солнечной панели, я смогу выяснить, какова ширина запрещенной зоны и какой эффект может иметь покраснение. (Хотя никаких гарантий.)
@AirCraftLover Функция атмосферного поглощения включает 3 фактора, один из которых — «покраснение» света за счет рэлеевского рассеяния (вес 0,14). Два других фактора — аэрозольное рассеяние (масса 0,12) и молекулярное поглощение (масса 0,02). Последний фактор фактически является фактором непрозрачности чистого воздуха.
Я предполагаю, что рассеяние синего света является более важным фактором. В качестве неподтвержденного свидетельства я утверждаю, что довольно сложно обгореть на солнце после 16:00 (на европейских широтах летом). Солнце все еще кажется довольно теплым, но вы можете бездельничать у бассейна целую вечность без солнечных ожогов.
@MichaelSeifert, солнечная панель, которую я использовал, - это DUNAMOS , она произведена в Китае, но в нашей стране она была переименована в местном масштабе. Поэтому ясно, что я не уверен, что мы сможем найти его подробные технические данные. Проверил каталог, такой щели нет .
@PcMan, после того, как Майкл Сейферт упомянул о рассеянии, я сразу понял, что это был ответ. Потом я поискал более подробную информацию об этом на Youtube. После поиска я убедился, что рассеяние является причиной того, что на поверхность солнечной панели поступает меньше фотонов, а значит, меньше вырабатывается энергии. Да, есть три фактора, которые могут вызвать рассеяние лучей: молекулы воздуха, капли воды, частицы пыли. Вот очень хорошее объяснение по этому поводу.
@OscarBravo, да, синий и вышеуказанная частота, как индиго и фиолетовый. Чем выше частота, тем больше энергии он может создать. Таким образом, отсутствие лучей более высокой частоты значительно уменьшит энергию в солнечной панели. Вот хорошее объяснение того, что синий свет днем ​​не так важен.
Ширина запрещенной зоны кремния составляет 1,1 эВ, что соответствует 1100 нм (ближний ИК). Таким образом, изменение спектрального распределения в сторону от синего не должно иметь никакого эффекта — солнечные панели получают одинаковую энергию от фотонов в синей и красной областях спектра. Действительно, малая ширина запрещенной зоны объясняет, почему солнечные панели имеют низкую эффективность — они не могут использовать большую часть энергии высокочастотных видимых фотонов. Напротив, многопереходные панели, целью которых является более эффективное использование фотонов с более высокой энергией, будут затронуты изменением спектрального распределения.
@theorist, как я уже упоминал, это та же солнечная панель, которую я использовал утром и днем. То есть со спектром проблем нет. Там должно быть отсутствие какой-то частоты. И это подтверждается рэлеевским рассеянием.
@AirCraftLover Не понимаю твоей точки зрения. Я говорю, что стандартная кремниевая солнечная панель должна извлекать ту же энергию из фотона в красном конце спектра, что и из фотона в синем конце. Таким образом, разница, которую вы видите в выходной энергии, вероятно, связана не с изменением частотного распределения из-за рэлеевского рассеяния, а скорее с общим уменьшением количества фотонов из-за атмосферного вымирания (как объяснил Майкл в своем ответе). Т.е. это изменение общего количества попадающих фотонов в единицу времени, а не изменение их частотного распределения.
Т.е. вы написали так: "Чем выше частота, тем больше энергии он может создать. Значит, отсутствие лучей более высокой частоты значительно уменьшит энергию в солнечной панели". Но хотя верно то, что «синие» фотоны более энергичны, чем «красные», кремниевая солнечная панель может извлекать только фиксированное количество энергии из каждого фотона, и это фиксированное количество меньше, чем энергия даже самого низкоэнергетического фотона. красный фотон. Так что не имеет значения, какова энергия каждого видимого фотона — из него будет извлечено такое же количество энергии.
@theorist: Однако есть отсечка; любой фотон с энергией ниже ширины запрещенной зоны просто теряется. Вы могли бы избежать этого, используя очень маленькую запрещенную зону, но тогда вы получите лишь небольшую часть энергии от синих фотонов. Таким образом, существует компромисс между поглощением большего количества фотонов и использованием большего количества энергии от тех, которые вы поглощаете. Оптимальная ширина запрещенной зоны (для солнечных панелей на поверхности Земли) оказывается около 1,34 эВ, что находится в ближнем ИК-диапазоне. См. Вики-страницу о пределе Шокли-Квисслера. ...
Тем не менее, некоторые панели используют несколько переходов (т. е. существуют разные слои с разной шириной запрещенной зоны) для более эффективного «улавливания» энергии фотонов. Вполне возможно, что если одна из этих запрещенных зон будет особенно большой, она вообще не сможет использовать «покрасневший» солнечный свет, и вы потеряете эффективность. Но я размышляю здесь; Я не инженер по солнечным батареям, если напрячь воображение.

Насколько я понимаю ваш рисунок, во все моменты измерения солнце полностью находится над горизонтом, а солнечная панель всегда перпендикулярна линии прямой видимости к солнцу.
В этом случае вы наблюдаете длину пути через атмосферу между «космосом» и солнечной панелью. Атмосфера поглощает приличное количество света на километр пути (особенно на малых высотах), что приводит к меньшей мощности на м^2, получаемой панелью. Когда солнце находится близко к небу, этот путь поглощения намного короче.

Я отредактировал картинку, чтобы меня не поняли неправильно, солнечная панель не остается сверху, как в первом наброске. Как я уже говорил, это одно и то же место . Все то же самое, кроме времени. Конечно, обе ситуации находятся на прямой видимости, это ясно, как я уже сказал, при ясном светлом небе . Поскольку это фотоэлектрический эффект, я считаю, что его следует анализировать с точки зрения квантовой механики.

Только вы должны вращать землю, а не луч. Причина, по которой количество энергии, вырабатываемой утром, меньше, чем в полдень, заключается в том, что утром количество света на единицу площади меньше. Это вы должны увидеть, вращая только землю, количество лучей, попадающих на ваш детектор, уменьшится.

Если вы отслеживаете луч своей солнечной панелью, то количество света, попадающего на панель в диапазоне, к которому она чувствительна, уменьшается из-за того, что ему приходится проходить более длинный путь в атмосфере.

Я так не думаю - он говорит, что его панель отслеживает, поэтому лучи всегда перпендикулярны панели, и если предположить, что солнце полностью над его горизонтом, экзоатмосферное излучение, «указывающее» на массив, постоянно.
@CarlWitthoft Ах да, может быть, количество света в спектре, к которому чувствительна солнечная панель, уменьшается из-за дополнительного количества атмосферы, через которую ему нужно пройти?
Цитата: « Причина, по которой количество энергии, вырабатываемой утром, меньше, чем в полдень, заключается в том, что количество света на единицу площади утром меньше » . Каково физическое объяснение этого количества света на единицу площади ? единица площади утром меньше ?
Кстати, я исправил второй эскиз, чтобы избежать неправильной интерпретации. Как я уже упоминал в своем теле вопроса, это одно и то же место . Итак, места одинаковые, только разные во времени.
Чем отличается утренний солнечный свет от того, что он не производит столько электричества, сколько в полдень?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v