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Uma abordagem inovadora para a energia solar

O céu azul no Reino Unido em abril foi uma grande vantagem para a energia solar. Uma das poucas partes da economia do Reino Unido que teve um bom abril foi a energia solar.

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O Met Office diz que provavelmente foi o abril mais ensolarado do mundo e a indústria de energia solar registrou a maior produção de eletricidade de todos os tempos (9,68 GW) no Reino Unido às 12h30 da segunda-feira, 20 de abril.

Com 16 painéis solares em seu telhado, Brian McCallion, da Irlanda do Norte, foi um dos que se beneficiaram com o bom tempo.

“Nós os temos há cerca de cinco anos e economizamos cerca de mil libras por ano”, diz McCallion, que vive em Strabane, perto da fronteira.

“Se eles fossem mais eficientes, poderíamos economizar mais”, diz ele, “e talvez investir em baterias para armazená-lo”.Direitos autorais da imagem Getty Images

Os painéis solares até fazem sentido na Irlanda do Norte nublada
Essa eficiência pode estar chegando. Existe uma corrida mundial, de San Francisco a Shenzhen, para criar uma célula solar mais eficiente.

O painel solar comercial médio de hoje converte 17-19% da energia luminosa que o atinge em eletricidade. Isso representa um aumento de 12% há apenas 10 anos. Mas e se pudéssemos aumentar isso para 30%?

Células solares mais eficientes significam que poderia obter muito mais do que os atuais 2,4% do suprimento global de eletricidade a partir do sol.

Energia Solar já é a tecnologia de energia que mais cresce no mundo. Dez anos atrás, havia apenas 20 gigawatts de capacidade solar instalada globalmente – um gigawatt sendo aproximadamente a produção de uma única grande usina elétrica.Direitos autorais da imagem Getty Images

Esta fazenda solar cobre 200 ha (500 acres) no sul da França
No final do ano passado, a energia solar instalada no mundo havia saltado para cerca de 600 gigawatts.

Mesmo com a interrupção causada pelo Covid-19, provavelmente adicionaremos 105 gigawatts de capacidade solar em todo o mundo este ano, prevê a empresa de pesquisa com sede em Londres IHS Markit.

A maioria das células solares é feita de fatias finas de cristais de silício, 70% das quais são fabricadas na China e em Taiwan.

Mas o silício cristalino está colidindo bem perto de sua máxima eficiência teórica.

O limite de Shockley-Queisser marca a eficiência máxima para uma célula solar feita com apenas um material, e para o silício isso é de cerca de 32%.

No entanto, combinar seis materiais diferentes no que é chamado de célula de múltiplas junções pode aumentar a eficiência em até 47%.

Outra maneira de romper esse limite é usar lentes para aumentar a luz do sol que cai sobre a célula solar, uma abordagem chamada solar concentrada.

Mas essa é uma maneira cara de produzir eletricidade e é principalmente útil em satélites.

“Nada que você veria no telhado de alguém na próxima década”, ri Nancy Haegel, diretora de ciência de materiais do Laboratório Nacional de Energia Renovável em Boulder, Colorado.Direitos autorais da imagem Getty Images

A tecnologia solar que mais cresce é chamada de perovskitas – em homenagem ao conde Lev Alekseevich von Perovski, mineralogista russo do século XIX.

Estes possuem uma estrutura cristalina específica que é boa para absorção solar. Filmes finos, cerca de 300 nanômetros (muito mais finos que um fio de cabelo humano) podem ser fabricados com soluções baratas – permitindo que eles sejam facilmente aplicados como revestimento em prédios, carros ou até em roupas.

Os perovskitas também funcionam melhor que o silício em intensidades de iluminação mais baixas, em dias nublados ou em ambientes fechados.

Você pode imprimi-los usando uma impressora a jato de tinta, diz o Dr. Konrad Wojciechowski, diretor científico da Saule Technologies, com sede em Oxford e Varsóvia. “Pinte em um substrato e você tem um dispositivo fotovoltaico”, diz ele.

Com um material tão barato, flexível e eficiente, você pode aplicá-lo a móveis de rua para abastecer sensores de carregamento de smartphones, wifi públicos e qualidade do ar gratuitamente, explica ele.

Ele está trabalhando com a empresa de construção sueca Skanska para aplicar camadas de perovskita em painéis de construção.Direitos autorais da imagem INSOLIGHT

A Saule Technologies está usando perovskitas em painéis solares
De acordo com Max Hoerantner, co-fundador da Swift Solar, uma empresa iniciante de São Francisco, existem apenas 10 empresas iniciantes no mundo trabalhando com tecnologia de perovskita.

A Oxford PV, uma divisão da universidade, diz que alcançou 28% de eficiência com uma célula solar comercial baseada em perovskita no final de 2018 e terá uma linha de produção anual de 250 megawatts em operação este ano.

Tanto a Oxford PV quanto a Swift Solar produzem células solares em tandem – são painéis de silício que também possuem uma fina camada de filme de perovskita.

Como são feitos de dois materiais, eles conseguem ultrapassar o limite de Shockley-Queisser.

O silício absorve a faixa vermelha do espectro de luz visível e a perovskita a bit azul, dando ao tandem maior eficiência do que qualquer um dos materiais isoladamente.

Um desafio é quando “você trabalha com um material que existe desde 2012, é muito difícil demonstrar que ele durará 25 anos”, diz Hoerantner.Direitos autorais da imagem INSOLIGHT

Os painéis Insolight usam lentes para concentrar a luz.
A Insolight, uma startup suíça, adotou uma abordagem diferente – incorporando uma grade de lentes hexagonais no vidro de proteção de um painel solar, concentrando assim a luz 200 vezes.

Para acompanhar o movimento do sol, o conjunto de células muda horizontalmente alguns milímetros ao longo do dia. É uma tentativa de tornar barato o concentrado solar.

“A arquitetura desses sistemas fotovoltaicos concentrados convencionais é muito cara. O que fizemos foi miniaturizar o mecanismo de rastreamento solar e integrá-lo ao módulo”, diz David Schuppisser, diretor de negócios da Insolight.

“Fizemos isso de uma maneira mais barata [que] você pode implantar em qualquer lugar que possa implantar um painel solar convencional”, diz ele.

O instituto de energia solar da Universidade Politécnica de Madri mediu o modelo atual da Insolight como tendo uma eficiência de 29%. Agora, ele está trabalhando em um módulo que espera atingir 32% de eficiência.

A atual tecnologia de silício ainda não está totalmente morta, e existem abordagens para obter pequenas e rápidas vitórias em eficiência. Uma é adicionar uma camada extra às costas de uma célula para refletir a luz não absorvida de volta através dela uma segunda vez. Isso melhora a eficiência em 1-2%.

Outra é adicionar uma camada externa, o que diminui as perdas que ocorrem onde o silicone toca os contatos de metal. É apenas um “pequeno ajuste”, diz Xiaojing Sun, analista da Wood Mackenzie, analista solar – adicionando 0,5-1% em eficiência -, mas ela diz que essas mudanças significam que os fabricantes precisam fazer pequenas alterações em suas linhas de produção.

Desde pequenos ganhos – ao uso de energia solar concentrada e perovskitas – a tecnologia solar está em uma corrida para aumentar a eficiência e reduzir os custos.

“Abrangendo esse número mágico em 30%, é aqui que a indústria de células solares pode realmente fazer uma diferença muito grande”, diz Max Hoerantner, da Swift Solar.