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Energia

Célula termofotovoltaica tira mais eletricidade do calor

Redação do Site Inovação Tecnológica - 14/11/2020

Célula termofotovoltaica tira mais eletricidade do calor
A equipe chegou perto da perfeição no ajuste de sua célula termovoltaica.
[Imagem: Dejiu Fan/Universidade de Michigan]

Células de calor

Um tipo emergente de célula solar - elas de fato capturam o calor da radiação solar - que refletem 99% da energia que não pode ser convertida em eletricidade prometem ajudar a baixar o preço do armazenamento de energia renovável, bem como viabilizar a coleta de calor residual de canos de escapamento de automóveis e chaminés.

A tecnologia de armazenamento de energia renovável armazena a eletricidade gerada pela energia eólica e energia solar em um banco de calor - um tanque de silício fundido, por exemplo - ou quimicamente, nas chamadas "baterias de fluxo", de onde ela pode ser recuperada à noite ou quando o vento não estiver soprando.

Os bancos de calor podem ser mais baratos do que as baterias de fluxo, mas eles dependem de um tipo especial de painel fotovoltaico que, em vez de capturar a luz do Sol e gerar eletricidade, transformam o calor armazenado em eletricidade.

Em comparação com os painéis solares comuns, esses painéis fotovoltaicos térmicos precisam ser capazes de capturar fótons de menor energia - pacotes de luz ou calor - porque o depósito de calor emite radiação numa frequência bem menor do que o Sol.

Para maximizar a eficiência, os engenheiros têm procurado refletir os fótons que têm energia muito baixa de volta para o banco de calor. Dessa forma, a energia é reabsorvida e tem outra chance de se mesclar e ser reemitida na forma de um fóton de alta energia e produtor de eletricidade.

Célula termofotovoltaica tira mais eletricidade do calor
Com a "ponte aérea", a perda ("Loss") de fótons foi significativamente reduzida.
[Imagem: Dejiu Fan et al. - 10.1038/s41586-020-2717-7]

Células termofotovoltaicas

As células termofotovoltaicas, feitas com uma película de ouro que funciona como espelho, refletem 95% da "luz" - no espectro infravermelho - que não consegue absorver. Parece muito bom, mas se 5% da luz for perdida a cada salto, aquela luz tem em média 20 chances de ser reemitida em um fóton com energia suficiente para ser transformada em eletricidade.

Aumentar o número de oportunidades abre a possibilidade de uso de materiais mais baratos do que o ouro, que são mais seletivos sobre quais energias de fótons eles aceitarão. Isso tem benefícios adicionais: fótons de energia mais alta produzem elétrons de energia mais alta, o que significa tensões mais altas e menos energia perdida durante a distribuição da eletricidade.

Tem muita gente trabalhando nisso, mas foi Dejiu Fan e seus colegas da Universidade de Michigan, nos EUA, que conseguiram um avanço significativo.

Para melhorar a refletividade, Fan adicionou uma camada de ar entre o semicondutor - o material que converte os fótons em eletricidade - e o suporte de ouro. O ouro é um refletor melhor se a luz o atingir após viajar pelo ar, em vez de vir direto do semicondutor. E, para minimizar o grau em que as ondas de luz se cancelam, a espessura da camada de ar deve ser semelhante ao comprimento de onda dos fótons.

Poucos acreditavam ser possível ajustar com precisão essa "ponte de ar", com um vão tão longo e sem nenhum suporte mecânico no meio, mas a equipe conseguiu usar um filme semicondutor de apenas 1,5 micrômetro de espessura, que fica separado por 70 micrômetros de ar da película de ouro, que tem 8 micrômetros de largura.

A célula termofotovoltaica alcançou uma eficiência de conversão calor-eletricidade de 30%.

E a equipe afirma que já tem algumas cartas na manga para aumentar a eficiência ainda mais, adicionando "noves" extras à porcentagem de fótons refletidos - por exemplo, aumentar a refletividade para 99,9% (contra os atuais 95%) daria ao calor 1.000 chances de se transformar em eletricidade.

Bibliografia:

Artigo: Near-perfect photon utilization in an air-bridge thermophotovoltaic cell
Autores: Dejiu Fan, Tobias Burger, Sean McSherry, Byungjun Lee, Andrej Lenert, Stephen R. Forrest
Revista: Nature
DOI: 10.1038/s41586-020-2717-7





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