【请教】光伏单元输出电功率时，究竟哪部分能量发生了变化？

t3486784401

光伏发电原理不必多讲，然而有一个疑问以及后续的推测，实在是不知如何解释，特来请教。

如图有两套光伏，环境、光照、材质都相同，仅外电路有别:
(a) 负载开路，光伏不输出电功率；
(b) 负载正常，光伏对阻性负载输出电功率。

从能量的角度来看，光伏接收光照，抛开反射和温升，剩余能量用于输出电功率。

那么 (b) 组相对于 (a) 组，究竟是“反射”减少了，还是“温升”减少了？
如果反射减少，是否意味着 (b) 组硅光片“更黑”？
如果温升减少，是否意味着 (b) 组硅光片“更凉”？



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以上，就光伏单元输出电功率时的能量转化有些疑问，特来请教

祝好！

罗小蘑菇

哈哈，好问题，我也不会，听听下面高手怎么说。

感觉总得遵守能量守恒定律吧，但是这个能量来自太阳，不是来自地球。按照地球的能量守恒的话，太阳一直照射，岂不地球的能量这几十亿年会越积累越多啊，那岂不不守恒了啊。

d__xin

CPU快冒烟了也没想明白，怎么想怎么不对劲

liwei_jlu

罗小蘑菇 发表于 2023-10-24 13:06
哈哈，好问题，我也不会，听听下面高手怎么说。

感觉总得遵守能量守恒定律吧，但是这个能量来自太阳，不是 ...
(引用自2楼)

地球获取太阳能量的方式是辐射。同时地球向太空低温区域辐射能量。相当于地球既接收能量又往外辐射能量

dz20062008

估计要深入研究太阳能发电材料了

autolog

问了一下gpt，答案是温升减少了。我认为反射是不变的。

太阳能电池板的发热情况在有外部电路和无外部电路的两种情况下是不同的。

有外部电路的情况：

当太阳能电池板连接到外部电路时，产生的电子流和空穴流会在电池板内部流动，最终进入外部电路，提供电能供应。
在这种情况下，太阳能电池板的能量转化效率较高，因为大部分太阳能被转化为电能，而只有一小部分能量会散热。
太阳能电池板可能会轻微升温，但这种升温通常是很小的，因为大部分太阳能被用于电能转化。
无外部电路的情况：

如果太阳能电池板没有外部电路连接，电子流和空穴流不能形成持续的电流，而是在半导体材料内部重新结合。
在这种情况下，太阳能电池板的效率较低，因为大部分太阳能不会被转化为电能，而是散热。
由于电子和空穴的再结合会释放能量，因此太阳能电池板会发热，这种发热程度取决于材料和光照强度。
总结而言，太阳能电池板的发热情况在有外部电路和无外部电路的情况下是不同的。在有外部电路的情况下，太阳能电池板的能量转化效率更高，发热较小。在无外部电路的情况下，太阳能电池板的效率较低，发热较多。然而，即使在有外部电路的情况下，太阳能电池板仍然会略微升温，但这一升温通常是可以接受的。

补充一下太阳能发电的原理、能量转换过程：

太阳能电池板的发电原理是基于光伏效应，它是一种将太阳能转化为电能的过程。以下是太阳能电池板的能量转换过程：

光吸收：太阳能电池板的表面覆盖着许多太阳能吸收材料，通常是硅。当太阳光照射到太阳能电池板上时，能量以光子的形式传递到半导体材料中。

电子激发：光子能量激发了半导体中的电子，使它们从基态跃迁到激发态。这需要足够的光子能量，通常对应于光的能量大于半导体带隙的能量。

电荷分离：一旦电子被激发，它们会在半导体材料中自由移动，形成电流。这些移动的电子被称为电子流，而离开这些电子的地方会留下“空穴”，形成空穴流。这些电子和空穴是带电粒子，它们分别带有负电荷和正电荷。

电流收集：在太阳能电池板内部，电子流和空穴流被导向电子收集网格和电子流集电极，以收集和传输电荷。

输出电流：收集到的电子流和空穴流通过电池板的电极系统流向外部电路，形成可用于供电电器或存储电能的电流。

总之，太阳能电池板通过吸收太阳光，将其转化为电子流，然后将电子流转化为电流，实现了从太阳光到电能的转换过程。这个过程是基于半导体材料内部电子激发和电子-空穴对的形成。最常见的太阳能电池板使用硅材料，但也有其他类型的太阳能电池板，如薄膜太阳能电池板和多晶硅太阳能电池板，它们使用不同的材料和工作原理，但基本的能量转换原理相似。

电池板空载时候的能量转换过程：

如果一块太阳能电池板没有外部电路连接，其中的电子流和空穴流将无法形成持续的电流。在这种情况下，发生以下情况：

光吸收和电子激发：太阳能电池板仍然会吸收太阳光并将其转化为电子激发，但在没有外部电路的情况下，这些激发的电子将无法流动。

电子-空穴对：电子将在半导体材料中形成电子-空穴对，但由于没有电路来收集这些电子和空穴，它们会在材料内部持续存在。

电荷再结合：在没有外部电路的情况下，电子和空穴可能会在半导体中重新结合，恢复到基态，释放出能量。

因此，如果没有外部电路连接，太阳能电池板只能将太阳能转化为电子-空穴对，但不能将其转化为实际的电流供应给外部设备。外部电路是必需的，它们使得电子流和空穴流能够在太阳能电池板内部形成一个闭合的电路，从而实现持续的电能输出。

t3486784401

autolog 发表于 2023-10-24 14:27
问了一下gpt，答案是温升减少了。我认为反射是不变的。


(引用自6楼)

感谢！

回答还真是详细，至少逻辑上是自洽的。

感觉的确可能是这样，只是温升变化量不明显，需要精巧的实验才能验证。

t3486784401

autolog 发表于 2023-10-24 14:27
问了一下gpt，答案是温升减少了。我认为反射是不变的。


(引用自6楼)

按照这个思路，我去一言上也聊了聊，一言倾向于两个量（反射、温升）都可能改变，并且合在一起是减小的。

也是逻辑上没法证伪的回答。

这么看来又回到了 1L 位置的问题，还得是请教行家

cne53102

其实有个很有意思的事情是：太阳能电池板其实是一个红外发光LED，给它提供电流时，它会发红外光，找个支持红外的摄像头可以看到。
（编辑补充：这不是因为发热而发出的红外光，因为它响应迅速。）
而这个极性，我没记错的话，发光和发电都是同一边。
所以我倾向于认为，同样光照下的同样的太阳能电池板，有负载的比没有负载的更凉一些，并且，“看”起来更“凉”一些。
太阳能电池板断开负载温度会上升这一点，在网上也存在着一些同样的声音。

比起说，无处可去的能量转换成了热量，我更认为它转换成热量时分成了一些步骤。

也许，用紫外光照射太阳能电池板，观察它会不会发出红外光，会是一个有趣的实验。

tomzbj

罗小蘑菇 发表于 2023-10-24 13:06
哈哈，好问题，我也不会，听听下面高手怎么说。

感觉总得遵守能量守恒定律吧，但是这个能量来自太阳，不是 ...
(引用自2楼)

地球本身也要往外辐射热量啊...

可以计算一下,
1. 日地距离1.5e11m, 可得地球轨道所在的大球面积是2.83e23 m2.
2. 太阳的辐射功率是3.85e26W,  可得地球轨道位置, 单位面积接受的太阳辐射功率是1360W/m2.  (实际上太阳的辐射功率就是这么反算出来的)
3. 地球半径6400km, 可得地球截面积是1.29e14 m2.
4. 因此整个地球接受的太阳辐射功率是1.75e17 W.

目前全部人类活动的功率大概是1e13 W的量级, 也就是地球接受的太阳辐射的万分之一左右, 基本可以忽略不计.

5. 地球表面积是截面积的4倍, 也就是5.14e14 m2.
6. 地球向外辐射的功率怎么算? 根据斯特凡-玻尔兹曼定律, 辐射能力和温度的四次方成正比. 假设地球是理想黑体, 接受和发出辐射量达到平衡, 这时有
5.67e-8 * 5.14e14 * T^4 = 1.75e17, 可以解出地球温度应该是278K左右, 或者5摄氏度.
7. 考虑到大气层和地面的反射, 地球温度会低些; 考虑到温室效应和地球内部热量, 地球温度会高些. 实际的地球表面平均温度大约是288K/15摄氏度.

顺便可以解释为什么靠近太阳的几大行星是岩石行星而从木星开始是巨行星, 这是因为从水星到火星, 平均温度都高于或者接近水的凝固点, 所以在一开始太阳系形成的时候不能保住水分 (地球上的水相对整个行星其实相当少), 整个行星质量不够, 温度又较高, 于是虽然早期太阳系的氢和氦丰富, 但是大气顶层氢和氦的热运动速度接近或者超过了逃逸速度, 所以最终以岩石成分为主.

到了木星和土星轨道位置, 温度足够低, 早期行星可以保住水和氨、甲烷之类的易挥发物质，吸积足够多物质之后大气层氢和氦的热运动速度远小于逃逸速度了， 于是可以继续吸积氢和氦， 形成巨行星.
再往外到天王星和海王星位置, 温度更低, 但是物质更稀薄, 还要面临木星和土星的竞争, 于是吸积氢和氦的量有限, 成分以冰为主.

dz20062008

cne53102 发表于 2023-10-24 15:09
其实有个很有意思的事情是：太阳能电池板其实是一个红外发光LED，给它提供电流时，它会发红外光，找个支持 ...
(引用自9楼)

那种学习型红外拷贝遥控器就能利用红外发射led发射与接收。曾经测到过专用红外接收头也能被太阳照射发电

WUWEWU

热辐射的变化和温升是同步正比的，负载开路 辐射温升值增加，反之减少

t3486784401

cne53102 发表于 2023-10-24 15:09
其实有个很有意思的事情是：太阳能电池板其实是一个红外发光LED，给它提供电流时，它会发红外光，找个支持 ...
(引用自9楼)

这个意见很有意思，等我闲下来去验证下

t3486784401

WUWEWU 发表于 2023-10-24 22:34
热辐射的变化和温升是同步正比的，负载开路 辐射温升值增加，反之减少
(引用自12楼)

恩，看来肯定是有变化。 只是不太明显，需要精密的测量才能识别出来

hecat

tomzbj 发表于 2023-10-24 16:07
地球本身也要往外辐射热量啊...

可以计算一下,
(引用自10楼)

学习了                    

d__xin

cne53102 发表于 2023-10-24 15:09
其实有个很有意思的事情是：太阳能电池板其实是一个红外发光LED，给它提供电流时，它会发红外光，找个支持 ...
(引用自9楼)

太阳能板是红外LED，好神奇。

这么说带不带负载温度会有变化，也会有是否向外发射红外光的区别。

我感觉温度变化应该不会特别大。不知道这么大个的红外LED光效咋样，会不会大部分变成光发射出去了

cne53102

d__xin 发表于 2023-10-25 14:20
太阳能板是红外LED，好神奇。

这么说带不带负载温度会有变化，也会有是否向外发射红外光的区别。
(引用自16楼)

可能不怎么样，我略担心这个事情不好测试，因为要清晰的演示太阳能电池板发出红外光，
可能需要提供一个比它正常发电电压要高不少的电源，所以通过这种方式损失出去的能量也许不容易测量，
但也可能有一个足够暗的环境或排除了环境光干扰就不是问题。

by Steve Mould:

jathenal

之前开发组串光伏并网逆变器，扫描PV板短路和开路特性时，发现过这样的现象：在同样对等光照条件下，测短路电流时PV板的温升、要明显大于测开路电压时的温升，但开路时的温度和MPPT输出时的温度、却没有感觉到明显区别；虽然没有用仪器精准测量，但系统总功率在50kW级别，用手是能明显感觉到PV板温度差异的。

因为当时重点在逆变器设备上，所以没有太关注PV板这个现象。

看到LZ的问题后，又引发了对这个案例的思考：如果从能量守恒角度讲，相同光照能量输入下，短路时PV板温升比开路时高，是否意味着开路时有一部分能量并没有直接转化为热能，而已以其它方式从PV板“逃逸”出去了，比如说上面提到的“红外发光辐射”？这样相当于把光谱能量从高频搬移到低频了？

确实耐人寻味，有机会再专门对比测试下吧。

czzhouyun

有负载的温度高，因为有电流，光电池也有内阻，有电流就发热，有负载更热