Como funcionam os painéis solares?

No primeiro semestre de 2023, as fontes renováveis, incluindo solar, eólica e hídrica, produziram 25% da eletricidade da América. Mas como os painéis solares produzem eletricidade a partir da luz? Eles podem realmente ser um substituto viável para os combustíveis fósseis em grande escala? Neste artigo, veremos como funciona a energia solar e o que ela pode – e não pode – fazer.

Como os painéis solares geram eletricidade?

A superfície da Terra recebe cerca de um quilowatt de energia solar por metro quadrado em condições ideais, o que significa “no equador, ao meio-dia solar”. As melhores células solares podem extrair quase metade da energia luminosa em eletricidade.

Acontece assim: um fóton do sol atinge a camada fotoativa do painel solar, que “expulsa” um elétron do outro lado do painel. Isso é possível porque os painéis solares utilizam semicondutores para transformar luz em eletricidade.

O silício, assim como o carbono, tem uma camada de valência externa meio cheia. Os painéis solares monocristalinos usam camadas de silício dopadas com diferentes tipos de átomos, como boro e fósforo, que possuem cargas opostas (pense em +1/-1). A dopagem dessa maneira transforma uma rede cristalina de silício regular em semicondutores do tipo n e do tipo p. Os semicondutores do tipo N possuem elétrons móveis; Os semicondutores do tipo p possuem “buracos” móveis. Ele transforma todo o sistema em uma catraca elétrica, forçando os elétrons a se moverem em apenas uma direção.

Quando a luz solar atinge a camada mais externa, os átomos absorvem energia suficiente para empurrá-los através do “gap de banda”. (Você não pode ter, digamos, 85% de um elétron, ou 110% – o sistema encontrará o nível de energia estável mais próximo. O ‘gap de banda’ é a faixa instável de níveis de energia entre os estáveis.) Para voltar em uma configuração estável, o sistema libera energia na forma de um elétron. A camada do tipo n já possui elétrons “extras”, por isso não está disposta a recuperá-los. Em vez disso, a carga extra passa através de um eletrodo.

O resultado é eletricidade na forma de corrente contínua (DC). Para ser útil para aparelhos CA, essa energia CC deve passar por um inversor.

Existem alguns tipos dominantes de tecnologia de painel solar. Talvez as mais conhecidas sejam as células solares feitas de silício, em arranjos alotrópicos desde o silício amorfo até uma rede cristalina rígida. Mas também existem células de corante solar, células solares de película fina e painéis solares feitos de um tipo diferente de cristal chamado perovskita. Essas abordagens usam materiais semicondutores para produzir energia fotovoltaica – eletricidade colhida diretamente da luz solar.

Silício Cristalino

A maioria dos painéis solares autônomos, incluindo as clássicas células solares robustas de 200 W, são feitas de silício cristalino. Sistemas e dispositivos incorporados, como a humilde luz solar para passarelas e calculadoras movidas a energia solar, também usam frequentemente células solares de silício cristalino. Este tipo de célula solar pode gerar energia solar com eficiência de 15-20%, o que significa que produz 15-20% da energia que recebe do sol.

O silício cristalino é frequentemente o material preferido para células solares devido à sua durabilidade. As janelas dos ônibus espaciais eram feitas de puro silício cristalino fundido. Da mesma forma, os painéis de silício cristalino podem resistir a mais abusos e intempéries do que algumas células solares de película fina.

Tecnologias solares residenciais mais recentes, como o painel solar Tesla e o telhado solar, as telhas de energia solar Timberline da GAF, as telhas e telhas FewTeed Apollo II e as telhas solares da Luma Solar usam silício cristalino. Alguns fabricantes cobrem seus painéis com uma camada de vidro temperado para evitar danos causados ​​pelo granizo.

Células solares de película fina

Células solares de película fina são o que você obtém quando, em vez de usar um wafer de cristal rígido injetado com dopantes, você deposita por vapor moléculas semicondutoras fotoativas em uma lasca de cristal ou em uma fita de polímero flexível.

Muitas células de película fina usam silício amorfo, que pode absorver energia da luz UV, visível e infravermelha. Outros usam silício policristalino, vapor depositado em uma película fina sobre o vidro, que pode reduzir os reflexos e reter melhor a luz.

As células de película fina utilizam menos material do que os painéis monocristalinos, pelo que podem ter um menor impacto ecológico no ciclo de vida. Alguns sistemas de película fina podem atingir eficiências de 47% usando vários tipos de materiais fotorreativos, um pouco como as plantas usam diferentes fotopigmentos para capturar diferentes comprimentos de onda de luz. No entanto, como as perovskitas, elas experimentam uma queda na produção elétrica durante os primeiros meses de sua vida útil.

Afinal, o que é uma perovskita?

As perovskitas são minerais com uma estrutura cristalina específica. Onde as células de silício cristalino usam íons dopantes para facilitar a transferência de elétrons entre camadas de carga positiva e negativa, a própria rede cristalina das perovskitas alterna entre ânions e cátions. Isso significa que eles podem servir como uma célula solar de estado sólido.

As células solares de perovskita ganharam destaque recentemente porque são baratas e fáceis de fabricar. Este tipo de célula pode ser útil em sistemas embarcados alimentados pelo ambiente, como a Internet das Coisas. Existem muitas químicas diferentes de perovskita, muitas das quais são descritas aqui:

Em comparação com as células solares de silício monocristalino, algumas células de perovskita podem gerar mais energia elétrica a partir da mesma quantidade de energia solar. No entanto, as perovskitas são menos duráveis; como sua química é instável, eles experimentam uma queda característica na produção de energia durante os primeiros anos de operação. As perovskitas mais conhecidas também usam chumbo com frequência. Embora os cristais não liberem apenas íons de chumbo livres, a mineração e o processamento de chumbo apresentam seus próprios perigos. O estanho fará o trabalho, mas com menor eficiência.

Pigmentos Fotorreativos: ‘Fotossíntese Artificial’

Outra tecnologia divertida de energia solar é a célula solar sensibilizada por corante. Essas células flexíveis usam um corante fotorreativo misturado com nanopartículas semicondutoras como camada superior. Normalmente, essa mistura flutua em um eletrólito líquido que atua como a camada tipo p em uma célula cristalina e seu próprio eletrodo simultaneamente.

Tal como as perovskitas, estas células flexíveis conduzem as suas reações ao longo do seu volume, em vez de ao longo de um plano. Isso levou alguns especialistas a se referirem às células corantes como “fotossíntese artificial”. Mas as perovskitas são cristais, e o mesmo eletrólito líquido que torna as células de corante solar tão flexíveis as torna vulneráveis ​​à degradação química e a temperaturas extremas.

Como a energia solar aumenta?

Existem duas maneiras principais pelas quais usamos atualmente a energia solar para gerar energia em uma escala adequada para uso como serviço público. Um que você provavelmente já viu é o parque solar padrão. Essas instalações fornecem energia estacionando fileiras e mais fileiras de painéis solares em terrenos que geralmente não são úteis para muitas outras coisas – embora recentemente os cientistas tenham pesquisado maneiras de usar o solo sombreado sob os painéis para diferentes fins, como armazenamento de energia na forma de baterias. . Uma proposta interessante envolve o cultivo de plantas baixas e que gostam de sombra, como o café e o cacau.

Para ser franco, a energia solar só funciona quando há luz solar para coletar. Isto significa que os bancos de energia e a produção diversificada de energia são partes muito importantes da produção de energia solar em grande escala: é fundamental armazenar qualquer energia extra para fazer feno enquanto o proverbial sol brilha. A Tesla, além de seus painéis de energia solar e telhas solares, oferece uma bateria reserva chamada Megapack. Conjuntos de dezenas ou centenas destas células de armazenamento de energia já estão em operação, facilitando o uso da energia solar e de outras fontes de energia renováveis.

Outra forma de ampliarmos a energia solar é concentrando usinas solares, como Ivanpah, na Califórnia. Em vez de produzir energia através do efeito fotoelétrico, esses sistemas usam espelhos ou lentes para concentrar a energia solar em um feixe (relativamente) focado apontado para uma torre coletora central. Lá, a energia solar aciona uma máquina térmica, geralmente uma turbina a vapor, que converte calor em eletricidade.

De junho de 2021 a junho de 2022, 17,6 GW de nova capacidade solar em escala de serviço público entraram em operação nos Estados Unidos. Isso nos leva a cerca de 66 GW de energia solar total em escala de serviço público. No ano passado, entre centrais eléctricas e instalações solares distribuídas, a energia solar forneceu 12% da electricidade da América. Embora isso seja apenas uma pequena fração da geração total de energia doméstica, estamos adicionando mais capacidade anualmente. À medida que as energias renováveis ​​substituem as antigas centrais eléctricas não renováveis, a energia solar certamente terá o seu dia ao sol.

Marcado em

Extremetech explica energia solar fotovoltaica células solares eletricidade

Mais de Extremo