Не так давно и месяца не проходило, чтобы какие-нибудь "британские учёные" не придумывали новый фотоэлектрический преобразователь (ФЭП) с рекордным КПД, например, в 45%, правда с "небольшой оговоркой", что это для концентрированного света и при охлаждении кристалла.
В это время другие "британские учёные" обещали вот-вот сделать солнечные батареи, умеющие "ловить" ИК излучение, уходящее с земли, и вырабатывать энергию с него даже ночью.
Глядя на первых и вторых, и пытаясь экстраполировать цены на солнечные батареи и их эффективность, всякие овцы насмехались над недальновидным Капицей и предвещали светлое будущее, которое вот-вот настанет.
Вообще, давно не слышал ни тех, ни других, ни третьих, похоже, тут жизнь сама расставила всё по своим местам. Но всё же довольно любопытно узнать - а насколько эффективной солнечная батарея могла бы когда-нибудь стать? Причём не будем ограничиваться кремнием, и не будем ограничиваться только лишь ФЭП на основе pn-перехода, мало ли, какие-то другие механизмы можно придумать. И рассмотрим случай как концентрированного света, так и батарею, способную получить свет с любого направления, безо всяких опорно-поворотных устройств.
Для этого нужно вспомнить, что на самом-то деле солнечная батарея - это ТЕПЛОВАЯ МАШИНА. У неё есть нагреватель - поверхность солнца, есть холодильник - обычно окружающий воздух. Да, непривычно, "семестр не тот", но законы оптики и законы термодинамики удивительно тонко увязаны друг на друга!
Кроме прочего, это объясняет, почему КПД электродвигателей и генераторов примерно один и тот же (при схожих габаритах), а вот КПД светодиодов сильно выше, чем КПД солнечных батарей.
Второй закон термодинамики
В простейшем виде он звучит так: более холодное тело не может самопроизвольно (без совершения дополнительной работы) передать своё тепло более нагретому.
Если бы это удалось, полученный прибор назывался бы вечным двигателем второго рода и мог бы элементарно снабжать всё человечество бесплатной энергией, потихоньку охлаждая мировой океан, ещё и глобальное потепление поборол бы "на сдачу". Но пока это никому не удавалось и вряд ли удастся.
Излучение - это один из механизмов передачи тепла. Поверхность Солнца раскалена до 6 тысяч градусов - поэтому оно излучает, причём спектр его излучения весьма близок к спектру Абсолютно Чёрного Тела (АЧТ).
Можно ли взять солнечные лучи и сфокусировать их настолько хорошо, что они разогреют какой-то объект до температуры свыше 6 тысяч градусов? По второму закону термодинамики это запрещено. Законы оптики, как оказывается, тоже это запрещают, но довольно запутанным способом.
1. Энергетическая яркость луча не может увеличиваться
Энергетическая яркость - это, по сути, мощность (в ваттах), переносимая лучом, отнесённая к единице площади и к телесному углу, т.е единица измерения энергетической яркости: Вт/м2/ср
Например, на землю падают солнечные лучи, на 1 м2 приходится около 1000 Вт, а расхождение составляет 0,5 градуса (угловой размер Солнца при наблюдении с Земли), что соответствует телесному углу 6*10-5 ср. Это означает, что энергетическая яркость солнечных лучей: 16,7 Вт/мм2/ср, и эту яркость никакими ухищрениями мы не увеличим.
Поставить огромную собирающую линзу - не проблема. Мы сможем собрать весь свет, приходящий с 1 м2 на площадочку 1 см2:
(первая попавшаяся картинка собирающей линзы)
И что мы видим: да, площадь, на которую приходятся лучи, т.е энергетическая освещённость (Вт/м2) возросла, но раньше лучи были почти параллельными, а теперь они заходят в фокус СО ВСЕХ СТОРОН. Ещё нагляднее это на параболическом зеркале:
(опять рандомная картинка, извините).
Причём параллельные лучи - это абстракция, их не существует в природе. Реальные лучи имеют расхождение (исходят из объекта с ненулевым угловым размером), и можно заранее узнать, до какой степени их можно сфокусировать. Рано или поздно они должны упасть на поверхность объекта, и только с одной стороны этой поверхности (постригите меня за полцены, но только с одной стороны - СНАРУЖИ), притом падать они должны "как попало" - лишь часть упадёт перпендикулярно, а часть пройдёт "на бреющем полёте", и, как мы знаем хотя бы по климату Земли (холодно на полюсах, тепло на экваторе), не сильно нас нагреет. В общем, просто говорим: закон Ламберта, яркость лучей умножаем на π стерадиан - вот нам и будет энергетическая освещённость, Вт/мм2, максимальная, которую вообще можно достичь.
То есть, если у нас была энергетическая яркость 16,7 Вт/мм2/ср, то умножив её на π, мы получаем энергетическую освещённость (она же плотность мощности) 52 Вт/мм2.
Это огромная величина, 52 МЕГАВАТТА НА КВАДРАТНЫЙ МЕТР. Но теперь ещё нам нужно посадить сюда чёрное тело, а то если мы поставим зеркальный шарик - он всю эту чудовищную мощность переотразит аккурат на Солнце, и мы ничего не получим.
И теперь подумаем, до какой температуры сможет разогреться это чёрное тело, когда на него так здорово сфокусировали солнечные лучи. Как оказывается: до 5500 кельвина, т.е чуть ниже температуры поверхности Солнца. В этот момент уже само тело начнёт излучать столько же тепла, сколько оно получает, и установится тепловое равновесие. Как ни странно, всё это излучение пойдёт назад, на Солнце. Всё равно что на плите нагреть сковороду, только через 150 млн. километров!
Температура получилась чуть ниже температуры Солнца из-за того, что часть света рассеялась и поглотилась в атмосфере, ведь на орбите Земли солнышко даёт примерно 1360 Вт/м2.
2. Односторонние зеркала не такие уж односторонние!
Собственно, из пункта 1 это и так следует, но всё же оговорим отдельно. В сериалах про полицейских очень любят в комнате для допросов ставить "одностороннее зеркало" - из комнаты подозреваемых оно выглядит именно как зеркало, а с обратной стороны - как окно, из которого за ними пристально наблюдают.
Вот бы такое зеркало поставить перед солнышком - лучи будут заходить вовнутрь, а назад вернуться не смогут, будут переотражаться назад! Тут-то нам карта и попрёт, тут даже солнышка не нужно, просто одно тело с одной стороны стекла, другой - с другой стороны, оба испускают тепловое излучение, но одно проходит насквозь, другое переотражается - вот нам и вечный двигатель второго рода!
Нет, не получается, эти зеркала не так работают...
Вот объяснение от XKCD:
Асимметрия возникает от условий освещения: комната для допросов должна быть яркой, а комната наблюдения - тёмной. Точно так же тонированные стёкла не позволят увидеть водителя, если в автомобиле сильно темнее, чем на улице. Если там освещение не включено, так оно и есть.
А так-то это просто полупрозрачное стекло, как-то хитро сфокусировать свет оно нам не поможет.
Существуют ещё оптические изоляторы, которые действительно пускают свет лишь в одном направлении. Но "увы", свет, идущий в обратном направлении, просто ОБЯЗАН быть поглощён и перейти в тепло. Назад он переотразиться не может, поэтому в супер-фокусировке лучей и эта штука бесполезна.
3. Погружение в преломляющую среду нам не поможет.
С пунктом 1 мы немножко погорячились, есть один надёжный способ поднять яркость луча - перейти из воздуха (вакуума) в плотную среду, например, в стекло или в жидкость.
Подобными картинками обычно иллюстрируют полное внутреннее отражение, но она же показывает и другое: Лучи, направления которых менялись в больших пределах на воздухе, после вхождения в жидкость становятся более "кучными", т.е телесный угол уменьшается в n2 раз (n-показатель преломления), при том, что мощность и поверхность остались теми же самыми! Значит, и яркость увеличивается в n2 раз!
А нам бы хоть самую малость "равновесие нарушить" - это же позволит создать вечный двигатель второго рода, и не нужно нам Солнце, а то вечно облака, осадки, снег, град...
Вот можно такую систему предложить:
Две пластинки, изолированные от внешнего мира. Между ними зазор. Нижнюю половину заливаем жидкостью (или приклеиваем стекло), вторая половина - вакуум или воздух.
Изначально обе пластины имеют одинаковую температуру, и обе выдают равновесное тепловое излучение. Излучение нижней пластины показано чёрными линиями, излучение верхней - зелёными.
И получается забавная вещь: ВСЕ излучение верхней пластины достигает нижней, а вот огромная доля излучения с нижней пластины испытывает полное внутреннее отражение (предельный луч обозначен красным) и возвращается назад.
Всё, мы сдвинули равновесие, теперь нижняя пластинка разогреется, а верхняя остынет, самопроизвольно! Как минимум, мы получаем холодильник, не требующий энергии :)
Оказывается, что излучение абсолютно чёрного тела тоже должно быть пропорционально n2. Повсюду приводится формула для излучения АЧТ:
Злобный набор констант (пи, постоянная больцмана, скорость света и постоянная Планка) обзывают постоянной Стефана-Больцмана, и дело с концом.
Но как это ни странно, вот эта скорость света в знаменателе - это именно что скорость света в среде, в которую идёт излучение! В плотных средах скорость света ниже, и излучение получается сильнее, чего как раз хватает, чтобы сохранилось равновесие.
Как ни странно, Макс Планк в своей эпохальной работе, в которой он ввёл постоянную имени себя, он написал чёрным по белому, что c в этой формуле - скорость света в среде. В учебниках физики для школы и для института про этот факт как-то подзабыли, скажем, не акцентируют внимание. В целом, народ вроде бы в курсе, вводят "редуцированную" яркость (делёную дополнительно на n2) и в ус не дуют...
Чуть более подробно этот момент описывал у себя в бложике.
Одна из книжек, где упоминается эта особенность - Peter Wurfel - Physics of solar cells, from principles to new concepts
4. "Парниковый эффект" нам не поможет
Нам все уши прожжужали про страшный углекислый газ, который впускает солнечные лучи к поверхности, но не выпускает тепловое излучение наружу. Вот очередная асимметрия, которая позволяет "концентрировать" энергию!
Но снова эта асимметрия возникает только из-за того, что поверхность Солнца и поверхность Земли имеют принципиально разную температуру! Если взять кусочек ландшафта и разогреть его до 5600 К, то излучение от него будет уходить в космос столь же хорошо, как оно приходит от Солнца на Землю. Так-то, атмосферные газы "не чувствуют направлений".
То есть, используя "парниковый эффект", то бишь материалы, которые пропускают определённые длины волн и отражают другие, мы можем ослабить разность температур, но когда температуры будут приближаться друг к другу - будут сближаться и спектры излучения, поэтому эффект сойдёт на нет. Использовать его для нарушения второго закона термодинамики не получится.
Определяем КПД
Ещё в 19 веке Сади Карно нашёл КПД идеальной тепловой машины. Ему не нужно было для этого рассматривать паровые машины, турбореактивные двигатели, двигатели внутреннего сгорания, двигатели Стирлинга и пр., он исходил из общих принципов термодинамики, и не ошибся, ни один реальный двигатель не может превзойти КПД его тепловой машины.
Поэтому и здесь мы не собираемся вдаваться в физику солнечных панелей, в прямозонные и непрямозонные полупроводники, ширину запрещённой зоны и прочие премудрости - они безусловно позволяют оценить потенциал конкретных технологий, но чтобы провести оценку сверху - этого не нужно!
Как ни странно, КПД выходит ОЧЕНЬ ВЫСОКИЙ. Скажем, температура нагревателя 5500 К, температура холодильника 40 °С = 313 К, получается КПД 94%.
Впрочем, такой КПД возможен только при предельно малой мощности, ведь стоит нам основательно забирать энергию с тела, которое мы нагреваем солнечными лучами, его температура упадёт. Будет происходит так: на тело приходит 1000 Вт тепла. 999 Вт оно излучает назад на Солнышко. 1 Вт мы снимаем, и умудряемся выработать из него 0,94 Вт полезной работы. С точки зрения физика, КПД действительно составляет 94%. Но с потребительской точки зрения, КПД этой установки скорее 0,094%: у нас "в распоряжении" было 1000 Вт, а мы их вернули назад Солнышку. Поэтому дальше всё-таки будем максимизировать мощность, которую можно получить с единицы поверхности, и считать КПД как полезную мощность, отнесённую к мощности, ПРИШЕДШЕЙ ОТ СОЛНЦА. Да, часть мы непостижимым образом вернём назад, но никто нас за это по головке не погладит.
При такой формулировке получим КПД 90%. Тело остынет с 5500 К примерно до 3000 К, и теперь уже будет смысл поставить "парник" - светофильтр, который начнёт переотражать назад в это тело длинноволновое излучение. Да, при этом оно несколько недополучит от Солнца, но в целом баланс улучшится.
А если без концентратора?
Рассмотренная нами конструкция - это гигантский концентратор. Его поле зрения: 0,5° х 0,5°, и он должен навестись строго на Солнце, принимать лучи только от него, и при этом удивительно много излучать назад, в сторону Солнца.
Да, в теории это очень здорово, но на практике - слишком сложно. Требуется двухосевое слежение, прецизионная, но очень крупная оптика. И ещё, малейшее облачко сразу очень резко ухудшает КПД. Причину этому мы теперь понимаем: хотя рассеиватели света не сильно поглощают энергию, но яркость луча падает катастрофически. Если раньше лучи имели малый телесный угол, что и позволяло их сконцентрировать на малой площади (размен телесного угла на площадь при неизменной яркости), то рассеянные лучи концентрации не поддаются, будь оно по-другому - это было бы нарушением второго закона термодинамики.
Как только мы начинаем принимать лучи со всего небосвода, как КПД нашей "идеальной солнечной батареи" резко падает. Тут без "парника" уже совсем никуда, как мы знаем из повседневного опыта (разогрев чёрной железяки градусов до 100 в знойный летний день на прямом солнышке - это "ни о чём" с точки зрения КПД, что-то около 16%, если температурой холодильника взять 40 °С). А вот с "парником", то есть, с очень точно рассчитанным светофильтром, переотражающим длинные волны, всё ещё возможно разогреть тело до 420 °С, что даёт КПД (снова взятый по максимальной мощности с единицы поверхности) в 55%.
UPD. (от 11.08.2022) 55% было несколько пессимистичной оценкой. Сейчас пересчитал "по-нормальному", получается около 68%. Выводов статьи оно сильно не меняет, вот выкладки (мой блог в ЖЖ), а если повезёт - то и в научном журнале, вместе с соавтором.
Выводы
1. Существующие солнечные батареи достаточно близко подошли к теоретическому пределу. Скажем, трёхслойные арсенид-галлиевые элементы приближаются к 40% на неконцентрированном свете. Если бы "в теории" они могли до 90% дойти, можно было бы надеяться ещё на какой-то рывок, но так - уже всё.
2. Все изложенные здесь "теоретические" принципы довольно хорошо повторяются в реальных солнечных элементах. Термодинамика требует: при повышении температуры холодильника (т.е температуры самого кристалла в нашем случае) КПД должен упасть - он и падает. По нашей теории, на неконцентрированном свете должно было получаться падение в КПД около 1/420 на градус, или 0,14%. Отнести это к выработанной мощности - получится ухудшение по 0,26% на градус. Тютелька в тютельку, как в недавнем посте объявили. Также КПД должен падать по мере снижения яркости света - и действительно, у всех солнечных элементов при снижении яркости не только пропорционально снижается ток, но и потихоньку падает рабочее напряжение.
3. Если кто-то обещает солнечную батарею, которая даже ночью будет немножко вырабатывать за счёт ИК-излучения земли, верить этому не стоит, это всё тот же вечный двигатель второго рода, но в другой обёртке. Точнее, да, можно небольшой разбаланс создать, но всё та же термодинамика учит: если у нас разница в несколько градусов (хорошо, в 10 °С, мы добрые), то КПД получается уж очень ничтожным, например, 3% для холодильника 20 °С и нагревателя 30 °С. Это не окупится никогда.
3. Становится понятнее, почему светодиоды эффективнее солнечных батарей, у вполне себе коммерческих (не хитрых экспериментальных, существующих в одном экземпляре в какпой-то лаборатории) синих светодиодов КПД под 60% на малых токах, а у коммерческих солнечных батарей около 20%. Причина именно в том, что солнечная батарея преобразует неупорядоченную энергию теплового излучения Солнца в 100% упорядоченную электроэнергию, это всегда подразумевает "тепловую машину" и связанный с этим КПД. Грубо говоря, мы обязаны сбрасывать энтропию (в электричестве и в механической работе её нет), а с ней - и часть тепла. А в обратную сторону, из электроэнергии в беспорядочное излучение "во все стороны" и с широким спектром - дело проще! В теории, светодиод мог бы даже "извлекать тепло из окружающей среды" и на каждый Вт электрической мощности давать 1,3 Вт оптической (если мы готовы все потолки обклеить светодиодными "обоями", излучающими во все стороны и дащие освещённость около 200 лк. Более точечные источники света потребуют больше энергии). В общем, работать как тепловой насос, только с большим "перепадом температур". Пока нечто подобное удалось наблюдать только на сверхмалых мощностях (100 пВт), что абсолютно непрактично, см. Parthiban Santhanam, et al. “Thermoelectrically Pumped Light-Emitting Diodes Operating above Unity Efficiency.” Phys. Rev. Lett. 108, 097403 (2012) И ожидаемо, КПД зависит от яркости "в обратную сторону" - чем ярче, тем КПД ниже. Да, яркий свет может излучить только очень горячее тело, и нагреть его с помощью теплового насоса (т.е оптимально, не потратив лишней энергии) очень тяжело...
4. Любые нападки на Капицу, дескать, он "устарел", не мог знать того офигительного экспоненциального прогресса, который произойдёт в области фотовольтаики - не более, чем нападки. Карно свой цикл в 1824 году придумал, и он до сих пор не устарел, как не устарела вся термодинамика - не удаётся её обмануть, хоть ты тресни!
Использование разработок ФТИ на протяжении более полувека.
Комментарии
Как ни странно, она должна немножко светиться красным, как уголёк тлеет. Потому что чернота - вещь взаимная. Хорошо поглощает - значит и хорошо излучает, если разогреется! Причём физически она так разогреваться не обязана, но как ни странно, эффект будет тот же. Обычные кремниевые солнечные батареи, когда работают в точке максимальной мощности (а тем более без нагрузки), вполне себе излучают в ИК. Более совершенные, близкие к теоретическому пределу, и в видимый диапазон немножко выйдут.
Если панелька - тепловая машина, то АЧТ идеально поглощает тепло, переносимое лучистой энергией, которое затем преобразуется в ток. И в идеале само АЧТ не разогревается. Почему так не происходит - низкий КПД механизма фотон-ток, или точнее внешнее излучение-ток. Вот здесь и надо копать, как увеличить КПД преобразователя.
Каким-то образом панелька обязана сбрасывать наружу энтропию входного света. В электричество её загнать нельзя, в электричестве энтропии нет. Значит, или в нагрев пустить, или в ИК излучение (с небольшим выходом в видимое), а скорее и в то, и в другое.
Мощно! В энтропиях не силен, но припоминаю энтропия присутствует в любой неравновесной среде, и движение, нагрев, как и ток это часные случаи тепловых процессов.
Но вообще если идти от обратного и задать вопрос, как должна выглядеть СПанель с 99% КПД, ответ напрашивается такой: внешне это глубоко черное тело(неотражающее свет), которое при падении потока мощностью 1000 Ватт дает выход близко к 990 Ватт электрической мощности, и при этом его температура отлична от окружающей среды на ту величину, которую обеспечивает равновесное состояние при нагреве его нагревателем мощностью, близкой к 10 Ватт тепловой энергии.
Панелька с 99% КПД от солнечного света - это уже вечный двигатель второго рода. Если 95% от выработанной энергии пустить в тепловой насос, который будет из окружающей среды выкачивать тепло в тело, разогретое до 6 тыщ градусов, и затем направить панельку не на Солнце - а на это самое тело, то процесс станет самоподдерживающимся - прямое преобразование тепла в электричество. Вся физика этому протестует.
Нинада нам тут инссинуаций! Ведчный двигатель Второго рода! Сонце не вечное!
А кто говорит про Солнце - если получить панельку с таким КПД, мы сможем тратить лишь часть выработанной ей энергии на "производство солнечных лучей", и ещё немного останется на халяву! Это будет чёрный ящик - на вход морская вода, на выходе охлаждённая морская вода и прорва электричества.
На АШе не проходит и недели, чтобы какая -нибудь очередная жертва ЕГЭ не рассказывала об "новых научных открытиях", которые опровергают всю существующую науку.
Указанная статья- это очередной показательной пример такого научного невежества. Люди не понимают самых простых основ термодинамики. Но как Шариковы- "позволяют себе с развязностью совершенно невыносимой подавать какие-то советы космического масштаба и космической же глупости ...." (с)
Разберем основные заблуждения автора.
Физических оснований уподоблять устройство фотоэлектрического преобразователя тепловой машине не существует.
Статья автора находится в непримиримом противоречии с физикой, притом с самой бесспорной ее отраслью – с термодинамикой. Более внимательное рассмотрение вопроса убедит нас, что принципиального сходства между фотоэлектрическим преобразователем и тепловым двигателем нет: преобразователь не есть тепловая машина.
Покажем, почему недопустимо предположение, что энергия преобразователя является результатом превращения теплоты солнечного излучения. Проще говоря, – почему нельзя представлять себе дело так, что в преобразователе получается теплота, а затем эта теплота преобразуется в работу. Термодинамика установила, что теплота может превращаться в работу только в том случае, когда она переходит от источника высокой температуры (от «нагревателя» – например, топки котла) к источнику более низкой температуры (к «холодильнику»). При этом отношение количества теплоты, превращенной в работу, к количеству теплоты, заимствованному от «нагревателя» (коэффициент полезного действия машины), равен отношению разности температур «нагревателя» и «холодильника» к абсолютной температуре «нагревателя»:
КПД = (Т1-Т2)/Т2 , где Т1 – абс. температура горячего тела; Т2 – абс. температура холодного тела.
Применим эту формулу к фотоэлектрическому преобразователю, который попробуем рассматривать как тепловую машину.
Известно, что температура поверхности преобразователя может достигать 60-70 °C. Это, очевидно, один из тех двух уровней температуры, наличие которых является необходимым условием работы всякой тепловой машины. Значит примем 70 °C – либо высший уровень (температура «нагревателя»), либо низший уровень (температура «холодильника»). Рассмотрим последовательно оба случая, исходя из приведенной выше формулы и примем, что коэффициент полезного действия преобразователя равен приблизительно 0,3, т. е. 30 %.
Соответственно получаем простое уравнение : 0,3 = (343-T2)/343 , где 343= 70 °C (абсолютная температура -273+70)
откуда Т2 = 240° абс., или –33 °C. Это означает ни мало ни много, что в преобразователе должен существовать участок с температурой на 33 °C ниже нуля! Значит, 70° не может быть высшим уровнем температуры в «тепловой машине». Не является ли 70° низшим уровнем? Посмотрим.
Аналогично : 0,3= (T1- 343)/Т1 и Т1=490 или 217 °C.
Так как ещё ни один ученый не обнаружил в преобразователе области, замороженной при –33 °C или нагретой до 217 °C, то приходится отказаться от уподобления преобразователя тепловой машине
Ликбез окончен.
P.S. Спасибо уровню образования в СССР и книгам Перельмана по занимательной физике.
Наиболее строгая интерпретация такова: мы вообще не хотим лезть внутрь солнечных панелек. Но из простейших принципов понимаем: если кто-то заявит, что изготовил панельку с КПД выше заявленного здесь, то присоединив к ней чистокровную тепловую машину, мы сможем сделать вечный двигатель второго рода - создавать "солнечные лучи" будет требовать меньше энергии, чем из них вырабатывает эта панелька, так что останется ещё халявная энергия.
Хотя и процессы в полупроводниковых панелях имеют гораздо больше сходства с "классической" тепловой машиной, чем может показаться на первый взгляд.
Если совсем не знать физику- то разумеется может показаться всё что угодно.
Хоть плоская земля.
А так любой школьник в СССР прекрасно понимал, что никакого сходства там и близко быть не может - исходя только из общих соображений.
Камрад ,у Вас в статье просто огромное количество ляпов, которые собственно множат всю статью на ноль.
1.
Внезапно !!! , что электрический генератор, что электродвигатель - по определению являются обратимыми машинами (т.е. генератор способен работать как двигатель и наоборот). Поэтому чтобы объяснить "примерно один и тот же КПД" - ни к каким законам термодинамики обращаться не следует ( это по сути одно и то же устройство).
2.
Излучает не поверхность Солнца - а солнечная атмосфера.
Википедия:
3.
Опять обращаемся к Википедии:
Вот так - на поверхности Солнца температура составляет 6 тысяч градусов, а в нескольких сотнях тысяч километров от поверхности - температура достигает от 1 до 20 млн градусов. Это общеизвестный научный факт. А современное поколение- о нем даже понятия не имеет.
P.S. Учите физику должным образом и будет Вам счастье.
Дико безграмотная чушь с огромным апломбом. :(
...
ВСЁ во вселенной есть тепловая машина. На термодинамике излучения построена вся квантовая физика (за что Энштейн и получил нобелевку - за спект АЧТ и фотоэффект, а не за теорию относительности, как некоторые почему-то думают).
Температура - это не "то, что меряют градусники", а производная внутренней энергии по энтропии. И "нагревателем" тут является излучение солнца (или само солнце, с кучей оговорок), а температура преобразователя - температура "холодильника".
...
Но объяснять это человеку с тремя классами образования, даже освоившему Перельмана - занятие дохлое...
Ваши голословные пустые утверждения- очень важны для нас. Пишите ещё.
И человек -тоже "тепловая машина"?
Там в моем посте выше - приведена простая формула определения КПД тепловой машины (строго научная).
Берете температуру тела человека в 36,6 градусов по Цельсию, КПД принимаете в 30% - и вперед - определять температуру нагретого и холодного тела "тепловой машины" ( как Вы пафосно написали ).
Калькулятором надеюсь пользоваться умеете?
Чтобы понять простую истину- в теле человека нет областей с температурами минус 56 или плюс 170 градусов. Соответственно "тепловой машиной" он не является. От слова совсем.
P.S. Вот об этом и писал - на АШ в темы приходят Шариковы и голословно начинают пафосно постить антинаучную чушь не приводя при этом ни одной формулы или закона. Голосом пытаются взять.
ВСЁ "тепловая машина" в том смысле, в котором она появляется в термодинамике. Второе начало термодинамики - абсолютно универсально.
Вы не умеете применять формулу, калькулятор Вам бесполезен - Вы не знаете, что считать. В случае солнечных батарей нагреватель - фотосфера солнца с температурой 6кК. Холодильник - окружающая солнечную батарею атмосфера.
Ага. Не все могут смотреть в завтрашний день... (с)
Очередное голословное бредовое утверждение.
Если система является изолированной.
Берем формулу КПД тепловой машины. Имеем
Т1 – абс. температура горячего тела -6000 К; Т2 – абс. температура холодного тела -около -300К.
Итого КПД -95% ((6000-300)/6000). У всех солнечных батарей.
В реальности этого не наблюдаем.
Какой вывод - Вы опять нам соврали.
P.S. Изучите физику хотя бы в объеме средней школы. Удачи.
Да, у всех солнечных батарей предельный КПД - примерно такой. О чём статья и говорит.
Я кажется, понял откуда у вас проблемы с физикой: Вы читать не умеете. :) Собссно, поэтому и считаете, что формула Карно определяет КПД тепловой машины. Или что все Вам врут. :)
Нет. :) На самом деле она определяет предельный КПД. (Ну, если строго, то это условие неубывания энтропии, но зачем Вам лишнее?)
Уровень Ваших знаний по теме стал предельно ясен.
Ведь даже в Вике для идиотов и жертв ЕГЭ предельно понятно сказано:
Приходят жертвы на АШе и начинают рассказывать про предельный КПД в 95%.
как бы вот что-то и сам знал точно, что-то "подозревал", но вот так доходчиво, чтобы и ребёнку понятно - первый раз пожалуй
Солнечная батарея не является тепловой машиной в том смысле, в каком выведены формулы Карно. Выводы неверны.
Если кто-то сделает солнечную батарею с КПД выше, чем написано здесь, я прикручу у ней тепловую машину, и в итоге драндулету уже не нужно будет Солнце, он будет сам себе генерировать солнечные лучи и давать халявную энергию, в нарушение второго закона термодинамики.
Поэтому я заключаю: это действительно максимально возможный КПД. Всё что выше - уже вечный двигатель.
Благодарю вас за согласие с тем, что статья неверна.
Но остальное в вашем комментарии странно. Даже если КПД солнечной батареи станет 90%, прикручивание к ней тепловой машины не сделает получившуюся конструкцию вечным двигателем.
Вечным она станет, если КПД солнечной ячейки станет больше 100%, чего, очевидно, не произойдёт.
Статья верна.
Вечным двигателем второго рода становится любая комбинация машин и преобразователей, которые нарушают неубывание энтропии в преобразовании тепла в работу.
Нельзя преобразовать тепло в работу (в термодинамическом смысле - в энергию с нулевой энтропией), рассеяв тепла меньше, чем положено по циклу Карно. Ну нельзя вот. :)
Из констатации этого простого факта получились коэффициенты Энштейна, которые тоже долго не принимались как нетривиальное утверждение... вплоть до появления лазеров, использующих эти коэффициенты нетривиально, для получения низкоэнтропийного света. Изумительное по красоте получилось подтверждение "диких теорий"... :)
Ох, че то я дико тупанул.
Я думал, что автор обосновывает, что у солнечных батареек должен быть КПД, приближенный к циклу Карно.
Очевидно, цикл Карно задаёт верхний лимит по КПД для теплового двигателя.
Но также я имел в виду, что цикл Карно применим к системам, в которых тепловая энергия преобразуется в механическую. Не всякие системы такие. Химические или электромагнитные системы будут иметь похожие ограничения, потому что второй закон термодинамики нельзя обойти. Но формулы будут другими.
Мой пойнт: второй закон термодинамики и формула Карно - не эквивалентные высказывания. Из ВНТ следует формула Карно, но не наоборот.
Возможно я чего то не понимаю, признаю.
Мне кажется, существуют процессы, для которых 1 - Q1/Q2 > 1- T1/T2. Подумаю
Ессно, является.
Всё, что не подчиняется второму началу термодинамики - это вечный двигатель второго рода.
Всё, что подчиняется второму началу термодинамики - тепловая машина с ограничениями Карно (выведенными по чистой случайности для какой-то там конкретной воображаемой машины с каким-то там газом и т.п.)
Энергия "нулевой точки" примерно бесконечность. Зачем париться в каким то там светом?
Что? Какая ещё нулевая точка и откуда там бесконечность?
Оттуда. Подумайте на досуга как там самоорганизовывается материя при наличии второго закона в термодинамике.
И как же? Позвольте прикоснуться к мудрости, объясните, пожалуйста
И куда негру податься
Спасибо!
Прочитал вашу статью раза 4, а также прочитал статьи из блога по ссылке, но так и не понял, какую температуру брать в качестве температуры нагревателя, и почему.
Для случая концентрированного света (и пусть для ясности солнечная батарея находится в космосе, но при этом охлаждается тепловыми трубками до земных +15) - можно ли брать температуру нагревателя - солнечную, и получить КПД 95%? Если нет, то почему? Или дело в том, что на охлаждение батареи до +15 мы потратим весь выигрыш в КПД?
ОК, тогда другой мысленный эксперимент. Берем концентратор солнечного света, помещаем куда-то рядом с вершиной Эвереста, где солнечный свет почти не замутнен атмосферой, а вокруг много бесплатного ветра, который таки охлаждает нашу батарею до нужной нам температуры. Можно ли получить 95% КПД в этом случае?
Теперь берем батарею без концентратора, способную принимать рассеяный свет. Как посчитать верхнюю температуру для рассеянного света? Надо брать температуру АЧТ, находящегося в равновессии с этим светом? АЧТ сверическое в вакууме, или одностороннее? Если одностороннее, то другая сторона черная, или покрытая серебрянкой? И почему так? Что-то у меня интуиция не срабатывает, буду благодарен, если поясните.
1.Я что то не увидел обоснования КПД солнечных панелей.
2. Вы пытаетесь ЗАМЕНИТЬ солнечные панели на тепловую машину...
3. Так и не понял откуда получился предел температуры 5500
Есть какой то запрет с очень большой площади собирать энергию на очень маленькую? В частности НАБОРОМ зеркал?
4.У вас какое образование?
Пешы исчё.
Интересная статья, спасибо
Ну наконец то! Я черт возми все ждал, когда вы наконец вместо идиотских формул начнете рассказывать, как вы все это опнимаете. И вот оно! И вы наконец начали. Это фантастика, когда человек, которпый верит в формулы, dkhey начинает говориить о долбанной филсофии. Вы лучший!
Фактически вы сказали, что сколько энергии ни сообщи некоему телу, его температура не будет превышать начальной температуры источника этой энергии? Не будет разницы, если вы с квадратного метра сфокусируете лучи в точку или с квадратного километра, какая будет температура в точке фокуса или предмета в нем? Или возмьем некий объем вещества, например, 1 куб.м - в нем "есть тепло" и сожмем его в в 1 куб.мм - он будет сильно горячее, чем исходный объем :)
Сжав это вещество, мы совершили работу.
Интересное обсуждение!
Для солнечных фотоэлектрических преобразователей (солнечных батарей) можно повысить КПД за счёт размещения их в горах - там где небо становится фиолетовым - спектр излучения смещен в область высоких энергий, а окружающая температура невысокая, что уменьшает обратный ток р-н перехода.
Вот что значит квантовую физику не изучать.. "тепловая машина" !? Эйнштейн бы в гробу перевернулся что его нобелевку с уравнением фотоэффекта забыли. И не от отблика КПД зависит - понятно что кремний блестящий и часть фотонов отражается от верхнего слоя. А в том что фотонам нужно перевести электроны из оболочки кремния в свободные на границе p-n перехода, чтобы потек ток. И вот именно от этой зоны все и крутится. КПД кремния 18% (Предел Шокли - Кайссера ) в том что у него всего 1 электрон прыгает от 4 довольной устойчивых на внешней оболочке. Согласно этому пределу в полупроводниках с одним p-n-переходом эффективность преобразования солнечного излучения никогда не может превышать 34%. потери на термализации 33% - т,е. крутимся около 26% (Дополнительная энергия фотонов выше запрещённой зоны делает так, что электрон, образованный в результате воздействия кванта света с энергией выше ширины запрещённой зоны, имеет некоторую избыточную кинетическую энергию. такие электроны называют "горячими". Двигаясь в веществе, "горячий" электрон теряет энергию при взаимодействии с молекулами среды до тех пор, пока его энергия не станет порядка тепловой, т.е. он термализуется. При этом на любом этапе потери энергии электрон может рекомбинировать с ионом. В этом и заключается один из основных механизмов электрических потерь в солнечных элементах.) . Точка. А у фосфора например электронов 5 - и высвободить несвязанный проще и с трехвалетным соединением получаются гетероструктуры. При множественной экситонной генерации (МЭГ) фотоэлемент поглощает один фотон из видимого спектра солнечного излучения производит уже два или более электронов, меньше расходуясь на повышение температуры материала. Благодаря процессу МЭГ получается фотоны видимой области спектра высвобождать по два и более электрона.Поэтому КПД гетероструктур - типа фосфида бора или арсенида галлия - уже 40% сходу становится. И с термализацией получше. Плюс если геометрически изменить переход - типа CdTe в матрице ZnTe - то можно съехать из зелено-желтого спектра в красный - т.е. - образно говоря и ночью вырабатывать электричество, посколько ИК тоже там есть, хотя разумеется энергетика ИК спектра хуже УФ на порядки (играет разница частот в четвертой степени) . В крайнем пределе Шокли - Кайссера для многопереходного солнечного света соответствующий предел составляет 86,8% при использовании концентрированного солнечного света.
Вы кстати делили 1м2 на 1 см2 , между прочим это 100*100=10000 ;-) ваш подход говорит - чтобы снять с обычных 100 вт/м2 вашу чудо мощность - надо купить линзу площадью с пару футбольных полей (классическое поле 7100 м2) и вращать ей по солнцу с захода и до заката
Страницы