Pirâmides graduadas capturam 90% da luz sem precisar mover os painéis solares

Redação do Site Inovação Tecnológica - 30/06/2022

Esta é a unidade básica do concentrador solar, uma pirâmide de índice de refração graduado.
[Imagem: Vaidya/Solgaard - 10.1038/s41378-022-00377-z]

Concentrador solar

Aumentar a eficiência da geração de energia solar não é meramente uma questão de melhorar a engenharia das células solares.

Também é necessário coletar da forma mais eficiente possível a luz do Sol que atinge os painéis, vinda de vários ângulos conforme vamos do nascer ao pôr do sol.

Os painéis solares só usam todo o potencial das células solares quando a luz solar os atinge diretamente. Para capturar o máximo de energia possível, muitos painéis giram ativamente em direção ao Sol enquanto ele se move pelo céu. Isso os torna mais eficientes, mas também mais caros e complicados de construir e manter do que um sistema estacionário.

Para fazer melhor, Nina Vaidya e Olav Solgaard, da Universidade de Stanford, projetaram um material simples que pode coletar e concentrar eficientemente a luz que incide sobre ele, independentemente do ângulo e da frequência dessa luz.

"É um sistema completamente passivo - ele não precisa de energia para rastrear a fonte ou ter partes móveis," descreveu Vaidya. "Sem foco óptico que move posições ou necessidade de sistemas de rastreamento, a concentração de luz se torna muito mais simples."

A camada de pirâmides substitui a cobertura de vidro dos painéis solares.
[Imagem: Nina Vaidya]

Pirâmides para focar a luz

O dispositivo parece uma pirâmide de cabeça para baixo com a ponta cortada. A luz entra no topo quadrado e ladrilhado de vários ângulos e é canalizada para baixo, para criar um ponto mais brilhante na base, onde ficam as células solares.

Os pesquisadores batizaram o dispositivo de Ágile - um acrônimo para lente de índice graduado axialmente (Axially Graded Index Lens).

Os protótipos conseguiram capturar mais de 90% da luz que atingiu a superfície e criar pontos na saída que eram três vezes mais brilhantes do que a luz recebida.

Instalados em uma camada em cima das células solares, eles poderão tornar os painéis solares mais eficientes e capturar não apenas a luz solar direta, mas também a luz difusa que foi espalhada pela atmosfera, clima e estações da Terra.

Segundo os pesquisadores, uma camada dessas lentes pode substituir a cobertura de vidro que protege os painéis solares, eliminar a necessidade de rastrear o Sol, criar espaço para resfriamento e, o mais importante, reduzir a quantidade de área de células solares necessárias para produzir energia, reduzindo os custos.

E os usos não se limitam a instalações solares terrestres: Aplicada a painéis solares enviados para o espaço, uma camada Ágile pode concentrar a luz sem rastreamento solar e ainda fornecer proteção contra radiação.

Princípio de funcionamento do material de índice graduado.
[Imagem: Vaidya/Solgaard - 10.1038/s41378-022-00377-z]

Material de índice graduado

As pirâmides invertidas coletam e concentram a luz graças a um índice de refração - a propriedade que descreve a rapidez com que a luz viaja através de um material - que aumenta suavemente, fazendo com que a luz se dobre e se curve em direção a um ponto focal.

Na superfície do material, a luz mal se curva, mas, quando chega ao outro lado, está quase vertical e focada.

"As melhores soluções são muitas vezes as ideias mais simples. Um Ágile ideal tem, bem na frente dele, o mesmo índice de refração que o ar e aumenta gradualmente - a luz se curva em uma curva perfeitamente suave," explicou o professor Solgaard. "Mas, em uma situação prática, você não vai ter aquele Ágile ideal."

Para os protótipos, os pesquisadores juntaram diferentes vidros e polímeros que dobram a luz em diferentes graus, criando o que é conhecido como material de índice graduado. As camadas mudam a direção da luz em passos, em vez de seguir uma curva suave, o que é uma boa aproximação do ideal. As laterais das pirâmides são espelhadas, então qualquer luz que vá na direção errada é refletida de volta para a saída.

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