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Novo dispositivo solar tem dupla vantagem

A invenção do MIT combina energia elétrica de células fotovoltaicas com energia de sistemas solares térmicos

 

cortesia dos pesquisadores - MIT
Imagem do dispositivo em funcionamento. A brilhante faixa laranja é o cristal fotônico, aquecido pela luz solar concentrada e emitindo fótons para a célula fotovoltaica abaixo. Cortesia dos pesquisadores/M.I.T.
Por Geoffrey Giller

Paineis solares estão se tornando cada vez mais comuns. Esses dispositivos são criados com células fotovoltaicas, que absorvem os fótons da luz solar e energizam elétrons no material da célula, criando eletricidade. Atualmente, porém, a eficiência máxima de células fotovoltaicas comerciais é de aproximadamente 20%. Essa baixa eficiência vem do fato de que apenas fótons com uma certa quantidade de energia – ou seja, apenas parte do espectro solar – conseguem transferir energia suficiente para os elétrons formarem uma corrente; na prática, os outros fótons são desperdiçados.

A luz solar pode ser convertida em energia térmica, que por sua vez também pode ser usada para gerar eletricidade. A vantagem é que nenhuma parte do espectro é desperdiçada; todas podem ser convertidas em calor. Mas gerar eletricidade a partir de energia térmica solar normalmente requer um sistema de grande escala, com um arranjo de espelhos que refletem e concentram a luz do sol em tanques ou canos cheios de água ou outros líquidos. O líquido aquecido normalmente é usado para produzir vapor, que gira uma turbina, gerando eletricidade. Ainda que a eficiência desses sistemas seja maior que a de células fotovoltaicas – cerca de 30% em alguns casos – eles não podem ser reduzidos para serem instalados no seu telhado.  

Para superar os vários obstáculos de sistemas solares térmicos e fotovoltaicos, uma equipe de pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts criou um novo dispositivo que combina os elementos dos dois, descrito em um artigo publicado em 19 de janeiro na Nature Nanotechnology. (Scientific American é parte do Nature Publishing Group.) Essa invenção é conhecida como “dispositivo solar termofotovoltaico”.

Ainda que outros pesquisadores tenham desenvolvido dispositivos desse tipo no passado, a nova criação é a mais eficiente até o momento, de acordo com Evelyn Wang, professora associada de engenharia mecânica do M.I.T. e autora sênior do artigo. Mas apesar do avanço, o dispositivo só atinge uma eficiência de 3%. “Existe muito mais potencial nessa tecnologia”, declara Wang. “Esse é só o começo”. 

Mesmo assim, a conquista é notável. Há dois anos, Alejandro Datas, pesquisador da Instituto de Energia Solar da Universidade Politécnica de Madrid, que não se envolveu no estudo, construiu um dispositivo termofotovoltaico que alcançou 1% de eficiência. Ele aponta que triplicar essa eficiência em tão pouco tempo é algo significativo.

Para construir seu dispositivo, os cientistas do M.I.T. usaram nanotubos de carbono, que absorvem luz solar com extrema eficiência; eles se aproximaram do teórico “corpo negro”, que absorve 100% da luz que os atinge. “Esse é o melhor tipo de absorvedor possível”, observa Wang.

Os cientistas usaram luz solar concentrada no absorvedor de carbono, elevando sua temperatura a aproximadamente mil graus Celsius. O absorvedor fica anexado a um cristal fotônico, composto de um conjunto de camadas de silício e dióxido de silício, que começa a brilhar em temperaturas tão altas. O cristal brilhante emite fótons, que viajam até a célula fotovoltaica subjacente. Mas ao contrário da luz solar comum, a maior parte dos fótons emitidos pelo cristal tem energia suficiente para fazer com que os elétrons gerem uma corrente elétrica. Ao converter a luz solar em calor, e depois reconvertê-la em luz, o dispositivo ajusta a energia dos fótons absorvidos pela célula fotovoltaica, maximizando seu potencial para gerar eletricidade.

Como os nanotubos de carbono absorvem a luz solar com tanta eficiência, eles não desperdiçam nenhuma parte do espectro, convertendo quase todo ele em energia térmica.

Wang explica que como a luz do sol também é transformada em calor, essa energia pode ser armazenada com mais facilidade que a eletricidade direta produzida por células fotovoltaicas. “Podemos armazenar a energia usando meios térmicos ou químicos”, adiciona ela; isso pode ser feito com a utilização de compostos químicos como sal derretido que se liquefaz quando aquecido, e em seguida libera o calor absorvido quando volta a se solidificar.

Andrej Lenert, alundo de doutorado do M.I.T. e principal autor do artigo, aponta que “a qualquer momento em que se passa por esse processo de conversão térmica, abre-se a possibilidade de armazenar essa energia na forma de calor”. Essa capacidade permite que a energia solar armazenada na forma de calor seja convertida em eletricidade no futuro, seja à noite ou quando o sol estiver coberto. Armazenar a eletricidade de células fotovoltaicas convencionais exige baterias, que não são práticas na escala de telhados, e que têm alto custo em escalas maiores.    

Além do aumento na eficiência, Lenert acredita que o trabalho de sua equipe servirá como referência para avanços futuros na área da termofotovoltaica solar. “Acredito que os procedimentos experimentais e as metodologias que estabelecemos beneficiarão o avanço da comunidade”, declara ele.

Esse grande avanço, é claro, será superar a marca de 20% de eficiência estabelecida por células fotovoltaicas.

Wang acredita que a equipe está no caminho certo. Parte do problema, de acordo com ela, é a escala. O dispositivo que eles construíram tem o tamanho de uma unha; como a área é pequena em relação ao comprimento das extremidades, perde-se mais calor por meio da inevitável dissipação. O aumento do tamanho resultará em um aumento exponencial da área em relação ao comprimento, reduzindo a perda de calor. “Se pudermos aumentar a escala, conseguiremos superar a eficiência de 20%”, conclui ela.