Célula solar modificada produz energia à noite

Mar 30, 2023

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Postado em 8 de junho de 2023, 26 de maio de 2023 por Melisa Yashinski

Os painéis solares são uma fonte cada vez mais comum de energia renovável e fornecem eletricidade para partes do mundo que não têm acesso a uma rede elétrica. Um painel solar é composto por dezenas de dispositivos menores que convertem a luz solar em eletricidade, chamados células fotovoltaicas, ou células fotovoltaicas. Uma célula fotovoltaica típica tem cerca de 5 polegadas quadradas (ou 13 centímetros quadrados) e é feita de silício, um material semicondutor acessível. O silício absorve a energia da luz solar, que estimula os elétrons a se moverem da parte inferior da célula para o topo, criando eletricidade. Como esse processo requer energia solar, uma célula fotovoltaica não produz energia à noite, deixando locais fora da rede sem eletricidade durante essas horas.

Recentemente, os pesquisadores se interessaram em aproveitar a energia criada a partir do calor emitido por objetos por meio de um processo chamado resfriamento radiativo. A Terra é aquecida durante o dia pelo sol e depois esfria à noite, emitindo radiação de ondas longas de volta ao espaço sideral. É por isso que um dia quente pode ser seguido por uma noite muito mais fria, especialmente quando o céu está claro.

Células fotovoltaicas típicas são cobertas com dióxido de silício, que tem uma forte emissão de calor devido ao resfriamento radiativo. Isso significa que a célula fotovoltaica perde calor para o ambiente, deixando-a vários graus mais fria que o ar ambiente à noite. Atualmente, as células fotovoltaicas não podem converter essa mudança de temperatura em eletricidade. Os cientistas sugeriram projetar células fotovoltaicas que coletam essa energia. No entanto, isso exigiria um semicondutor com propriedades elétricas diferentes do silício, o que significa que os painéis solares baseados em silício precisariam ser substituídos para gerar energia à noite.

Em vez de projetar uma nova célula fotovoltaica, os cientistas da Universidade de Stanford modificaram uma célula fotovoltaica existente para converter calor em energia elétrica. Eles incorporaram um dispositivo que converte mudanças de temperatura em energia elétrica chamado gerador termoelétrico, ou TEG. Um TEG é um dispositivo de estado sólido, o que significa que não possui partes móveis e é feito de um material único que reage quando exposto a duas temperaturas diferentes. Os átomos do material exposto a uma temperatura mais quente ficam excitados e liberam elétrons que fluem para o lado do material exposto a uma temperatura mais baixa. Os cientistas planejaram anexar um TEG entre a célula fotovoltaica mais fria e o ar ambiente mais quente.

Ao projetar esta célula fotovoltaica modificada, os cientistas usaram cálculos termodinâmicos para saber quando o TEG geraria mais eletricidade. Eles determinaram que precisavam minimizar a quantidade de calor que flui do ar ambiente, ao redor do TEG e para a célula fotovoltaica, porque isso não contribuiria para a geração de eletricidade do TEG. Portanto, eles envolveram o dispositivo em uma câmara plástica isolada com uma abertura para acomodar a conexão com o ar ambiente.

Os cientistas também calcularam que precisavam maximizar o contato do lado quente do TEG com o ar ambiente. Para isso, eles conectaram esse lado do TEG a uma parte padrão do computador que transfere energia térmica, chamada de dissipador de calor, e a um suporte de base. O dissipador de calor forneceu um caminho para o ar ambiente atingir o TEG com pouca resistência. Eles também conectaram uma folha de alumínio entre a célula fotovoltaica e o TEG para melhorar a transferência de calor. Em seguida, eles aplicaram uma graxa de silicone em cada componente para aumentar o fluxo de calor.

Para testar sua célula fotovoltaica modificada, os cientistas a colocaram em um telhado com acesso desobstruído ao céu por quatro dias e quatro noites. Durante esse tempo, eles monitoraram continuamente a energia produzida pelo TEG, a célula fotovoltaica e as temperaturas da célula fotovoltaica, do dissipador de calor e do ar ambiente.

Os cientistas observaram que a célula PV aqueceu durante o dia, com pico de temperatura no meio do dia para aproximadamente 15°C (59°F) acima da temperatura do ar ambiente. À noite, a temperatura da célula fotovoltaica caiu abaixo da temperatura do ar ambiente, que era mais pronunciada em noites claras, aproximadamente 3°C (37°F) mais baixa. O TEG extraiu energia das diferenças de temperatura durante o dia e a noite.