¿Qué es diferente en la luz del sol de la mañana para que no produzca tanta electricidad como al mediodía?

Representación de rayos solares

Considere que tengo una configuración de panel solar como en la imagen de arriba. El boceto superior dibuja los rayos del sol temprano en la mañana alrededor de las 6 a.m. en un cielo claro y brillante. El boceto inferior muestra el rayo de sol que golpea el panel solar alrededor de las 8 a.m.

Instalé un panel solar en una montaña, donde solemos ver el sol más de 12 horas al día. Descubrí que incluso si giro el panel solar para enfrentar los rayos de la mañana de forma perpendicular, no produce mucha electricidad. Pero cuando llega alrededor de las 8 AM con el panel solar perpendicularmente mirando al sol, la electricidad que produce aumentará casi al máximo rendimiento, no muy diferente a la productividad al mediodía. Cuantitativamente, esto suele ser un aumento en el voltaje de alrededor de 5 V a 16 V, de 18 V como máximo. En este caso, es el mismo sol, el mismo lugar, el mismo panel solar y la misma condición (queda perpendicular al rayo de sol, como en la imagen). Entonces, ¿qué es diferente en las mañanas aquí para que la salida sea tan diferente?

Respuestas (3)

Cuando el sol está cerca del horizonte, los rayos del sol tienen que viajar a través de más aire para llegar a ti que cuando está directamente sobre tu cabeza. Este fenómeno se conoce como extinción atmosférica , y esta página tiene un buen diagrama de dibujos animados para ilustrarlo:

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Este efecto puede ser bastante grande. Esta página tiene un gráfico del efecto aproximado en función del ángulo cenital , que es el ángulo directamente desde arriba; por lo tanto, un ángulo cenital de 90° es un objeto en el horizonte.

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Este gráfico es logarítmico; cada unidad en el eje vertical corresponde a un factor de aproximadamente 2,5 veces menos energía que llega al suelo. Podemos ver que cualquier cosa que esté más cerca de 15° del horizonte tendrá una luz sustancialmente disminuida, ciertamente lo suficiente como para que lo notes en un medidor de potencia.

Además, la luz del sol cerca del horizonte se enrojece sustancialmente; es más probable que la luz azul sea dispersada por moléculas en el aire, mientras que es más probable que la luz roja viaje directamente a través de la atmósfera hasta su panel solar. (Es por eso que las puestas de sol son rojas y anaranjadas en comparación con la luz que ves durante el día). En términos generales, tus paneles solares toman partículas de luz (fotones) y las convierten en energía eléctrica. Pero debido a las propiedades de las celdas solares, hay una energía mínima que debe tener un fotón (llamada brecha de banda).) para excitar cualquier tipo de electricidad. Los fotones más rojos tienen menos energía que los fotones más azules, por lo que es posible que los fotones rojos que prevalecen en la luz solar cerca del horizonte no puedan generar electricidad.* En otras palabras, hay un doble golpe: llegan menos fotones a su panel solar, y los que llegan a su panel solar tienen menos energía en promedio y no pueden generar electricidad.

* Digo "puede que no" porque los ingenieros de paneles solares son personas inteligentes, y hay algunos tipos más modernos de paneles solares que son mejores para convertir la luz solar en electricidad en una amplia gama de energías de fotones. Busque "celdas de unión múltiple" para obtener más información.

Cita: " La luz del sol cerca del horizonte se enrojece sustancialmente; es más probable que la luz azul sea dispersada por moléculas en el aire, mientras que es más probable que la luz roja viaje directamente a través de la atmósfera hasta su panel solar". Creo que esta es la respuesta, ya que creo que se trata de fotoeléctrica, ya que es un panel solar.
Acepté tu respuesta. Estoy seguro de que es la respuesta, la ausencia de luz azul (que es de alta frecuencia). Es decir, solo el espectro inferior llega al panel solar.
@AirCraftLover Me pregunto cómo puedes tener tanta confianza. Definitivamente no es obvio para mí que la mayor dispersión de la luz azul tenga más efecto que la extinción atmosférica general. De hecho, mi instinto dice que el último efecto es más importante (pero, por supuesto, no sé de ninguna manera).
@d_b: Para ser honesto, esa también sería mi suposición.
@d_b este video explica muy bien sobre el efecto fotoeléctrico, especialmente se mencionó sobre la luz roja y azul. Como sabemos, la luz que proviene del sol son ROYGBIV (Rojo, Naranja, Amarillo, Verde, Azul, Índigo, Violeta). El rojo es de menor frecuencia, lo que significa que producirá menos energía de fotones. El violeta es una energía superior que producirá una energía fotónica superior. Cuando vemos el sol de la mañana, la luz se ve como roja, naranja, amarilla. Por lo tanto, producirán menos energía fotónica. Lo que no entendí previamente fue la luz dispersa debido a las moléculas de aire.
@AirCraftLover: Si proporciona más detalles sobre el fabricante y el modelo de su panel solar, podría determinar cuál es la brecha de banda y cuánto efecto podría tener el enrojecimiento. (Sin embargo, no hay garantías).
@AirCraftLover La función para la extinción atmosférica incluye 3 factores, uno de los cuales es el "enrojecimiento" de la luz a través de la dispersión de Raleigh (peso 0,14). Los otros 2 factores son la dispersión de aerosoles (peso 0,12) y la absorción molecular (peso 0,02). Este último es efectivamente el factor de falta de transparencia del aire limpio.
Mi conjetura es que la dispersión de la luz azul es el contribuyente más importante. Como evidencia anecdótica, planteo que es bastante difícil quemarse con el sol después de las 4 p. m. (en latitudes europeas, en verano). El sol todavía se siente bastante cálido, pero puedes relajarte junto a la piscina durante mucho tiempo sin quemarte.
@MichaelSeifert, el panel solar que utilicé es DUNAMOS , es un hecho en China pero renombrado localmente en nuestro país. Claramente, no estoy seguro de que podamos encontrar sus datos técnicos detallados. He revisado el catálogo, no hay tal banda prohibida .
@PcMan, después de que MichaelSeifert mencionara la dispersión, inmediatamente me di cuenta de que era la respuesta. Luego busqué más detalles al respecto en Youtube. Después de buscar, estuve muy seguro de que la dispersión es la razón por la que llegan menos fotones a la superficie del panel solar, es decir, se genera menos energía. Sí, hay tres que pueden causar dispersión de rayos: moléculas de aire, gotas de agua, partículas de polvo. Aquí está la muy buena explicación al respecto.
@OscarBravo, sí, el azul y la frecuencia anterior como índigo y violeta. Cuanto mayor sea la frecuencia, más energía se puede crear. Entonces, por la ausencia de los rayos de mayor frecuencia, disminuirá significativamente la energía en el panel solar. Aquí hay una buena explicación de que la luz azul no es más significativa por la tarde.
La banda prohibida del silicio es de 1,1 eV, lo que equivale a 1100 nm (infrarrojo cercano). Por lo tanto, el cambio en la distribución espectral lejos del azul no debería tener ningún efecto: los paneles solares obtienen la misma energía de los fotones en las regiones azul y roja del espectro. De hecho, la pequeña brecha de banda explica por qué los paneles solares tienen baja eficiencia: no pueden utilizar la mayor parte de la energía de los fotones visibles de mayor frecuencia. Los paneles multiunión, por el contrario, cuyo propósito es hacer un mejor uso de los fotones de mayor energía, se verían afectados por el cambio en la distribución espectral.
@theorist, como mencioné, es el mismo panel solar que usé en la mañana y el mediodía. Es decir, no hay problema con el espectro. Debe haber un ausente de alguna frecuencia allí. Y lo confirma la dispersión de Raleigh.
@AirCraftLover No estoy siguiendo tu punto. Estoy diciendo que un panel solar de silicio estándar debería poder extraer la misma energía de un fotón en el extremo rojo del espectro que de un fotón en el extremo azul. Por lo tanto, la diferencia que está viendo en la producción de energía probablemente no se deba a un cambio en la distribución de frecuencias de la dispersión de Rayleigh, sino a una disminución general en la cantidad de fotones debido a la extinción atmosférica (como explicó Michael en su respuesta). Es decir, es el cambio en la cantidad total de fotones que inciden por unidad de tiempo, no un cambio en su distribución de frecuencia.
Es decir, ha escrito esto: "Cuanto mayor sea la frecuencia, más energía se puede crear. Por lo tanto, por la ausencia de los rayos de mayor frecuencia, disminuirá significativamente la energía en el panel solar". Pero si bien es cierto que los fotones "azules" son más energéticos que los "rojos", un panel solar de silicio solo puede extraer una cantidad fija de energía de cada fotón, y esa cantidad fija es menor que la energía incluso de la energía más baja. fotón rojo. Por lo tanto, no importa cuál sea la energía de cada fotón visible: se extraerá la misma cantidad de energía de él.
@theorist: Sin embargo, hay un límite; cualquier fotón con energía por debajo de la brecha de banda simplemente se desperdicia. Podrías evitar esto usando una brecha de banda muy pequeña, pero solo obtienes una pequeña fracción de la energía de los fotones azules. Así que hay una compensación entre absorber más fotones y usar más energía de los que absorbes. La brecha de banda óptima (para paneles solares en la superficie de la Tierra) resulta ser de aproximadamente 1,34 eV, que se encuentra en el IR cercano. Consulte la página Wiki sobre el límite de Shockley-Queissler. ...
Dicho esto, algunos paneles usan uniones múltiples (es decir, hay diferentes capas con diferentes intervalos de banda) para "recolectar" de manera más eficiente la energía de los fotones. Es posible que si una de estas brechas de banda es particularmente grande, no podría usar la luz solar "enrojecida" en absoluto, y la eficiencia se vería afectada. Pero estoy especulando aquí; No soy un ingeniero de células solares por ningún tramo de la imaginación.

Si entiendo su dibujo, en todos los tiempos de medición, el sol está completamente por encima del horizonte y el panel solar siempre está perpendicular a la línea de visión del sol.
En este caso, lo que está observando es la longitud del camino a través de la atmósfera entre el "espacio" y el panel solar. La atmósfera absorbe una cantidad decente de luz por km de viaje (especialmente en altitudes más bajas), lo que lleva a una menor potencia/m^2 recibida en el panel. Cuando el sol está cerca de lo alto, este camino de absorción es mucho más corto.

Edité la imagen para que no se me malinterprete, el panel solar no permanece en la parte superior como en el primer boceto. Como mencioné, es el mismo lugar . Todo es igual excepto el tiempo. Por supuesto, ambas situaciones son de línea de visión, está claro, como dije, en un cielo claro y brillante . Como se trata de un efecto fotoeléctrico, creo que debe analizarse desde la mecánica cuántica.

Es la tierra la única que deberías estar girando, no el rayo. La razón por la que la cantidad de energía producida en la mañana es menor que la del mediodía se debe a que la cantidad de luz por unidad de área es menor en la mañana. Esto deberías verlo girando la tierra solamente, la cantidad de líneas de rayos que golpean tu detector disminuirá.

Si está rastreando el rayo con su panel solar, entonces la cantidad de luz que golpea el panel dentro del rango al que es sensible disminuye debido a que tiene que viajar a través de un camino más largo en la atmósfera.

No lo creo: dice que su panel está rastreando, por lo que los rayos siempre son perpendiculares al panel y, suponiendo que el sol esté completamente por encima de su horizonte, la irradiancia exoatmosférica "apuntando hacia" la matriz es constante.
@CarlWitthoft Ah, sí, ¿entonces podría ser que la cantidad de luz en el espectro al que es sensible el panel solar disminuya debido a la cantidad adicional de atmósfera por la que necesita viajar?
Cita: " La razón por la que la cantidad de energía producida en la mañana es menor que la del mediodía se debe a que la cantidad de luz por unidad de área es menor en la mañana " . ¿Cuál es la explicación física de esta cantidad de luz por la unidad de área es menor en la mañana ?
Por cierto, corregí el segundo boceto para evitar una mala interpretación. Como mencioné en el cuerpo de mi pregunta, es el mismo lugar . Entonces, el lugar es el mismo, solo diferente en el tiempo.
¿Qué es diferente en la luz del sol de la mañana para que no produzca tanta electricidad como al mediodía?
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