Efeito Fotovoltaico

O efeito fotovoltaico pode ser definido como sendo o aparecimento de uma diferença de potencial (tensão) entre duas camadas de uma fatia de semicondutor na qual as condutividades são opostas, ou entre um semicondutor e um metal, sob o efeito de um fluxo de luz.

Processo

O efeito fotovoltaico é um processo que gera tensão ou corrente elétrica em uma célula fotovoltaica quando é exposta à luz solar. É esse efeito que torna os painéis solares úteis, assim como as células dentro do painel convertem a luz solar em energia elétrica.

O efeito fotovoltaico foi descoberto pela primeira vez em 1839 por Edmond Becquerel. Ao fazer experimentos envolvendo células úmidas, ele observou que a voltagem da célula aumentava quando suas placas de prata eram expostas à luz solar.

O que é o efeito fotovoltaico?

O efeito fotovoltaico é o processo pelo qual a corrente elétrica na forma de tensão é criada quando a radiação eletromagnética é exposta a um determinado material.

Usando células solares, o efeito fotovoltaico ocorre quando comprimentos de onda muito curtos da luz solar afetam a matéria e os elétrons ficam excitados.

A radiação eletromagnética é emitida pelo painel solar e coletada por outro material.

Essa ejeção de elétrons resulta no aumento da tensão, criando energia que pode ser armazenada em uma célula da bateria para uso posterior. Dois eletrodos são usados para coletar a tensão, que pode ser transferida para a rede elétrica.

Diferentes tipos de radiação eletromagnética causam diferentes níveis de exposição nas células solares como resultado da frequência.

A luz visível cria o efeito fotovoltaico quando afeta os metais alcalinos, a luz ultravioleta em outros metais, com luz ultravioleta extrema sendo usada para não metais.

Esse conceito foi observado pela primeira vez em 1902 por Philipp Eduard Anton von Lenard, quando descobriu que cores diferentes da luz, também conhecidas como frequência, emitem diferentes níveis de elétrons.

Anteriormente, a teoria das ondas de luz por James Clerk Maxwell afirmou que a intensidade da radiação criaria energia proporcional de elétrons. Essa nova teoria explicou que os fótons eram responsáveis pela criação da ejeção de elétrons e funcionavam como partículas individuais, e não como ondas constantes.

O físico A.E. Becquerel reconheceu o conceito do efeito fotovoltaico da luz solar em 1839, mas seu entendimento era limitado.

Em 1883, Charles Fritts construiu a primeira célula solar, usando um semicondutor de selênio revestido por uma fina camada de ouro. Esse primeiro uso de uma célula solar foi apenas um por cento eficiente. Foi em 1954 que a Bell Laboratories desenvolveu uma maneira prática de aproveitar a energia solar.

A maneira como o efeito fotovoltaico é aproveitado usando células solares é muito básico. Essencialmente, os fótons da luz solar impactam o painel solar e são absorvidos pelo material.

Os elétrons carregados negativamente dentro do material são arrancados dos átomos, que então produz eletricidade. Essa situação é controlada permitindo que os elétrons se movam em apenas uma direção no painel, causando uma ação inversa na qual partículas carregadas positivamente fluem na direção oposta. Com essas duas ações, uma corrente direta de eletricidade pode ser aproveitada a partir da reação eletromagnética.

O efeito fotovoltaico é essencial para vários processos na vida moderna. Além da criação de energia para fins gerais, as células solares são essenciais para as naves espaciais usadas pela NASA e outras agências espaciais.

Além disso, os princípios da tecnologia são utilizados em câmeras digitais na forma de dispositivos com carga acoplada, bem como em eletroscópios que identificam eletricidade estática.

O que é energia fotovoltaica?

A energia fotovoltaica é produzida quando a luz solar é convertida em energia com o uso de células solares ou semicondutores.

Essas células semicondutoras são geralmente feitas de silício e não contêm materiais corrosivos ou peças móveis. Enquanto as células solares estiverem expostas à luz, elas produzirão energia fotovoltaica com um mínimo de manutenção. Essa energia também é ambientalmente limpa, silenciosa e segura.

O termo “fotovoltaico” tem duas partes: foto, uma palavra grega que significa luz, e voltaica, uma referência ao inovador em energia elétrica Alessandro Volta.

Em 1839, o físico francês Edmond Becquerel descobriu o efeito fotovoltaico, a produção de um volt através do uso de um semicondutor. Essa descoberta levou a novas experiências com fontes de luz e semicondutores, o que levou à invenção de células solares que produzem energia fotovoltaica.

Células solares individuais, também chamadas células fotovoltaicas, são fabricadas em diferentes formas e tamanhos. Às vezes, apenas uma célula é necessária para alimentar um dispositivo, mas na maioria das vezes muitas células são conectadas umas às outras para formar painéis ou módulos solares.

Esses módulos podem ser conectados para criar matrizes fotovoltaicas que podem ser usadas para alimentar pequenos edifícios ou grandes complexos. A saída resultante de energia fotovoltaica depende do tamanho da matriz.

O tamanho pode variar, dependendo da quantidade de luz solar disponível e da quantidade de energia necessária.

Embora a produção de energia de um sistema de energia fotovoltaica dependa da quantidade total de exposição à luz, ela ainda gera energia em dias nublados ou nublados. Para armazenar essa energia para transmissão posterior, uma variedade de sistemas de armazenamento está disponível para os consumidores. Os sistemas de armazenamento mais confiáveis usam uma combinação de baterias recarregáveis e capacitores de armazenamento de energia, alguns dos quais podem ser projetados para energia CA ou CC.

A quantidade de energia disponível em dias nublados e à noite em um sistema de energia fotovoltaica depende da produção de energia dos módulos fotovoltaicos e do arranjo da bateria.

A adição de módulos e baterias adicionais aumentará a energia disponível, mas também aumentará o custo do sistema. Para obter melhores resultados, uma análise completa das necessidades versus custo deve ser conduzida para criar um design de sistema que equilibre custo e necessidade com a conveniência do uso.

Sistemas bem projetados oferecem a oportunidade de expansão ou redução à medida que as necessidades de energia aumentam ou diminuem.

A energia fotovoltaica está emergindo como uma solução viável para problemas de energia em todo o mundo. Seus usos atuais incluem usinas de energia, transporte, suprimento de eletricidade rural e estradas solares.

Embora ainda esteja muito longe de se tornar a principal fonte de energia do mundo, as pesquisas em andamento sobre energia fotovoltaica podem trazer a promessa de esperança para o futuro.

Qual é o futuro da energia solar?

No século 21, a energia solar já se tornou parte da vida cotidiana. De piscinas com aquecimento solar a residências movidas ao sol, existem muitos exemplos que demonstram a aplicação útil da energia limpa, segura e sustentável do sol. À medida que cresce a preocupação com os efeitos da queima de combustíveis fósseis e a possibilidade de esgotar fontes de energia não renováveis, o futuro da energia solar parece brilhante.

A partir de 2013, a tecnologia não está isenta de problemas e, até o momento, as aplicações têm sido em escala relativamente pequena, mas há muita pesquisa em andamento nessa área e houve vários desenvolvimentos muito promissores.

Aproveitando a energia solar

O Sol é potencialmente uma enorme fonte de energia limpa e renovável. Alguns estimam que a luz solar possa produzir 10.000 vezes mais energia do que a Terra usava na virada do século XXI.

No entanto, existem grandes desafios tecnológicos a serem enfrentados no aproveitamento eficaz dessa energia. Existem várias tecnologias disponíveis e em desenvolvimento que usam a luz solar para fornecer energia.

A luz solar pode ser usada simplesmente para aquecer a água, que é então usada para fornecer aquecimento central às residências. Como alternativa, ele pode ser usado para gerar eletricidade usando células fotovoltaicas (PV) dispostas em painéis solares. Um terceiro método é concentrar a luz solar em um alvo para gerar calor, que pode ser usado diretamente para fins industriais, ou para fornecer eletricidade.

Painéis solares

Esses painéis dependem do efeito fotoelétrico, onde certas substâncias produzem uma pequena corrente elétrica quando expostas à luz. As células fotovoltaicas são construídas para explorar esse efeito, e os painéis solares consistem em grandes matrizes desses dispositivos posicionados para receber o máximo de luz solar possível. Juntos, eles podem gerar quantidades significativas de eletricidade. Embora, a partir de 2013, sejam relativamente ineficientes, normalmente têm custos muito baixos de operação e manutenção e podem ser muito eficazes no fornecimento de energia para residências.

Uma grande quantidade de pesquisas está sendo realizada para melhorar a eficiência e construir células a partir de materiais mais baratos.

A maioria dos painéis solares consiste em células fotovoltaicas de silício cristalino, que são 14-16% eficientes na conversão da luz solar em eletricidade. Várias alternativas, no entanto, estão sob investigação.

As células de filme fino podem ser produzidas a partir de uma variedade de materiais. Embora atualmente sejam menos eficientes que as células fotovoltaicas padrão, são leves, flexíveis e mais baratas de fabricar.

As células multifuncionais podem atingir uma eficiência de mais de 43%. Eles são estruturados de modo que diferentes partes da célula sejam sintonizadas para capturar a luz do sol em faixas específicas de comprimento de onda, em vez de ter um único receptor que perde uma porção da energia disponível.

Outra área promissora é a célula solar sensível ao corante, às vezes chamada de célula de Gratzel, em homenagem a Michael Gratzel, que a desenvolveu pela primeira vez na década de 1990.

Eles usam um corante para capturar energia solar e produzir um fluxo de elétrons, que são reabastecidos através de uma camada de eletrólito líquido abaixo. Embora potencialmente baratos de produzir, eles são apenas cerca de 12% eficientes e existem problemas de durabilidade que podem afetar o uso comercial. Por exemplo, o líquido pode congelar em condições frias ou expandir quando está quente e pode vazar.

Pesquisadores desenvolveram uma versão da célula na qual o eletrólito líquido problemático é substituído por um material sólido, abrindo caminho para painéis solares baratos e duráveis.

Além do desenvolvimento de células fotovoltaicas mais baratas e mais eficientes, uma parte importante do futuro da energia solar reside na construção de novos edifícios e na modernização de muitos mais antigos.

Alguns especialistas preveem que a maioria, se não todos, novos edifícios terão painéis solares instalados nos telhados. Como estes também são fáceis de instalar, muitos edifícios mais antigos podem receber atualizações para funcionar com energia solar.

Especialistas e ambientalistas esperam que a construção de energia verde seja incentivada pelos governos por meio de generosos incentivos fiscais, isenções e subsídios para o uso de energia alternativa.

Os painéis solares em um telhado podem, em algumas áreas, fornecer a totalidade ou a maioria das necessidades de energia de uma casa. Nos casos em que as pessoas moram em acomodações com vários andares, no entanto, a quantidade de espaço no telhado é muito pequena em comparação com o número de residências. Embora pequenas aplicações individuais possam aliviar um pouco a tensão da rede elétrica, se o Sol fornecer as necessidades de energia das cidades e indústrias, seu futuro deve estar em grandes estações geradoras de eletricidade movidas a energia solar.

O maior problema enfrentado pelo aproveitamento da energia solar usando células fotovoltaicas é o espaço necessário para a construção das usinas. Uma planta é composta por milhares de painéis solares, não muito diferentes dos atualmente instalados em residências de energia alternativa. Por esse motivo, eles exigem uma área consistentemente ensolarada e uma quantidade considerável de espaço. Atualmente, uma das maiores centrais elétricas do mundo cobre mais de 16 milhas quadradas (16,9 km2) e gera eletricidade suficiente para operar cerca de 200.000 casas. Alguns especialistas sugerem que, para fornecer energia a todos os Estados Unidos, seria necessária uma área de aproximadamente 160,9 km por lado, provavelmente em algum lugar no clima desértico do sudoeste americano.

Alternativas aos painéis solares

Existem várias outras possibilidades para o aproveitamento em larga escala da energia solar. Um exemplo é a concentração da tecnologia de energia solar.

Em vez de gerar eletricidade diretamente, eles concentram a luz solar para aquecer a água, fornecendo vapor para acionar uma turbina que produz eletricidade exatamente como uma usina convencional.

Eles podem consistir em matrizes de espelhos parabólicos que focalizam a luz do sol em um tubo linear cheio de líquido. Como alternativa, o calor do Sol pode ser focado por um espelho parabólico para aquecer um fluido que aciona um motor Stirling, que fornece a energia mecânica para a geração de eletricidade.

Outro sistema comprovado é a “torre de energia”, na qual uma série de espelhos planos de rastreamento solar concentra o calor do Sol em um recipiente de líquido usado para fornecer vapor para um gerador.

Várias usinas estão em operação, produzindo de 10 a 20 megawatts de eletricidade. As usinas futuras podem fornecer até 200 megawatts.

O futuro

Uma tendência encorajadora em relação ao futuro da energia solar é que muitos dos maiores inovadores do mundo estão optando por concentrar seus talentos e fundos na melhoria da tecnologia de energia alternativa.

Muitos esquemas de premiação – financiados por vários governos ao redor do mundo – se concentram no fornecimento de energia solar economicamente e em larga escala. Em muitos países, os cidadãos recebem incentivos financeiros para mudar para fontes de energia “verdes” e instalar seus próprios painéis solares.

Embora, a partir de 2013, existam muitos sinais encorajadores de que os governos estejam reconhecendo a necessidade de fontes alternativas de energia e promovendo pesquisas sobre energia solar, a resposta está em parte nas mãos dos cidadãos do mundo. O que os cidadãos comuns escolhem comprar e apoiar influenciará as tendências do futuro. Ao instalar painéis solares, doar para organizações de pesquisa envolvidas em energias alternativas, obter um diploma universitário em um assunto relacionado e votar em medidas que promovam o desenvolvimento de energia alternativa, qualquer um pode dizer o futuro da energia solar.

Nas células solares, o efeito fotovoltaico ocorre quando a luz solar excita os elétrons

Painéis solares apontados para o sol para absorver energia fotovoltaica

Fonte: energyeducation.ca/www.pveducation.org/www.wisegeek.org/www.sciencedirect.com/www.mrsolar.com/solar-energy.technology/www.solartec.eu/eng.libretexts.org/www.history.alberta.ca