Solenergi fra den mørke side låst op af en ny formel

De fleste af nutidens solpaneler fanger sollys og konverterer det kun til elektricitet fra siden mod himlen. Hvis den mørke underside af et solpanel også kunne konvertere sollys, der reflekteres fra jorden, der kan blive produceret endnu mere elektricitet.

Dobbeltsidede solceller gør det allerede muligt for paneler at sidde lodret på land eller tage og endda vandret som baldakinen på en tankstation, men det har ikke været nøjagtigt kendt, hvor meget elektricitet disse paneler i sidste ende kunne generere, eller de penge, de kunne spare.

En ny termodynamisk formel afslører, at de bifaciale celler, der udgør dobbeltsidede paneler, i gennemsnit genererer 15% til 20% mere sollys til elektricitet end de monofaciale celler i nutidens ensidige solpaneler, under hensyntagen til forskelligt terræn såsom græs, sand, beton og snavs.

Formlen, udviklet af to Purdue University fysikere, kan bruges til at beregne på få minutter den mest elektricitet, som bifaciale solceller kunne generere i en række forskellige miljøer, som defineret af en termodynamisk grænse.

"Formlen involverer kun en simpel trekant, men destillering af det ekstremt komplicerede fysikproblem til denne elegant enkle formulering krævede mange års modellering og forskning. Denne trekant vil hjælpe virksomheder med at træffe bedre beslutninger om investeringer i næste generations solceller og finde ud af, hvordan de kan designe dem til at være mere effektive, " sagde Muhammad "Ashraf" Alam, Purdues Jai N. Gupta professor i elektro- og computerteknik.

I et papir offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences , Alam og medforfatter Ryyan Khan, nu assisterende professor ved East West University i Bangladesh, også vise, hvordan formlen kan bruges til at beregne de termodynamiske grænser for alle solceller udviklet i de sidste 50 år. Disse resultater kan generaliseres til teknologi, der sandsynligvis vil blive udviklet i løbet af de næste 20 til 30 år.

Håbet er, at disse beregninger vil hjælpe solfarme til at drage fuld fordel af bifaciale celler tidligere i deres brug.

"Det tog næsten 50 år for monofaciale celler at dukke op i marken på en omkostningseffektiv måde, " sagde Alam. "Teknologien har været bemærkelsesværdig succesfuld, men vi ved nu, at vi ikke længere kan øge deres effektivitet væsentligt eller reducere omkostningerne. Vores formel vil guide og accelerere udviklingen af ​​bifacial teknologi på en hurtigere tidsskala."

Avisen kunne have fået matematikken afgjort lige i tide:eksperter vurderer, at i 2030, bifaciale solceller tegner sig for næsten halvdelen af ​​markedsandelen for solpaneler på verdensplan.

Alams tilgang kaldes "Shockley-Queisser trekanten, "da det bygger på forudsigelser fremsat af forskere William Shockley og Hans-Joachim Queisser om den maksimale teoretiske effektivitet af en monofacial solcelle. Dette maksimale punkt, eller den termodynamiske grænse, kan identificeres på en nedadgående linjegraf, der danner en trekantform.

Formlen viser, at effektiviteten af ​​bifaciale solceller stiger med lys reflekteret fra en overflade. Betydeligt mere strøm ville blive konverteret fra lys reflekteret fra beton, for eksempel, sammenlignet med en overflade med vegetation.

Forskerne bruger formlen til at anbefale bedre bifacial design til paneler på landbrugsjord og vinduer i bygninger i tætbefolkede byer. Gennemsigtig, dobbeltsidede paneler gør det muligt at generere solenergi på landbrugsjord uden at kaste skygger, der blokerer afgrødeproduktionen. I mellemtiden, At skabe tosidede vinduer til bygninger ville hjælpe byer til at bruge mere vedvarende energi.

Papiret anbefaler også måder at maksimere potentialet af bifaciale celler ved at manipulere antallet af grænser mellem halvledermaterialer, kaldet vejkryds, der letter strømmen af ​​elektricitet. Bifaciale celler med enkelte junctions giver den største effektivitetsgevinst i forhold til monofaciale celler.

"Den relative gevinst er lille, men den absolutte gevinst er betydelig. Du mister den første relative fordel, når du øger antallet af kryds, men den absolutte gevinst fortsætter med at stige, " sagde Khan.

Formlen, detaljeret i avisen, er blevet grundigt valideret og er klar til at virksomheder kan bruge, når de beslutter, hvordan de skal designe bifaciale celler.