Este é um lugar onde você provavelmente está acostumado a ver células solares, mas eles vão aparecer mais com o passar dos anos. Veja mais fotos da renovação da grade. Martin Barraud / Getty Images p Você provavelmente já viu calculadoras com células solares - dispositivos que nunca precisam de baterias e, em alguns casos, nem mesmo tem um botão de desligar. Contanto que haja luz suficiente, eles parecem funcionar para sempre. Você também pode ter visto painéis solares maiores, talvez em sinais de trânsito de emergência, cabines de chamadas, bóias e até em estacionamentos para acender as luzes.
p Embora esses painéis maiores não sejam tão comuns quanto calculadoras movidas a energia solar, eles estão lá fora e não são tão difíceis de detectar se você souber onde procurar. Na verdade, fotovoltaica - que antes eram usados quase exclusivamente no espaço, alimentar os sistemas elétricos dos satélites já em 1958 - estão sendo usados cada vez mais de maneiras menos exóticas. A tecnologia continua aparecendo em novos dispositivos o tempo todo, de óculos de sol a estações de carregamento de veículos elétricos.
p A esperança de uma "revolução solar" já existe há décadas - a ideia de que um dia todos usaremos eletricidade gratuita do sol. Esta é uma promessa sedutora, porque em um brilhante, dia ensolarado, os raios do sol emitem aproximadamente 1, 000 watts de energia por metro quadrado da superfície do planeta. Se pudéssemos coletar toda essa energia, poderíamos facilmente abastecer nossas casas e escritórios de graça. p Neste artigo, examinaremos as células solares para aprender como elas convertem a energia do sol diretamente em eletricidade. No processo, você aprenderá por que estamos cada vez mais perto de usar a energia do sol diariamente, e por que ainda temos mais pesquisas a fazer antes que o processo se torne econômico.
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p Todas as células fotovoltaicas também têm um ou mais campos elétricos que atuam para forçar os elétrons liberados pela absorção de luz a fluir em uma determinada direção. Este fluxo de elétrons é uma corrente, e colocando contatos de metal na parte superior e inferior da célula PV, podemos tirar essa corrente para uso externo, dizer, para alimentar uma calculadora. Esta corrente, junto com a voltagem da célula (que é um resultado de seu campo ou campos elétricos embutidos), define a potência (ou potência) que a célula solar pode produzir. p Esse é o processo básico, mas há muito mais do que isso. Na próxima página, vamos dar uma olhada em um exemplo de célula PV:a célula de silício de cristal único. Tornando-se Solar, Going Green
Adicionar painéis solares a uma casa existente pode ser caro - mas existem muitas outras maneiras de tornar sua casa mais verde. Saiba mais sobre o que você pode fazer para proteger o meio ambiente no Planet Green do Discovery Channel.
Presidente Barack Obama, O líder da maioria no Senado, Harry Reid, de Nevada, e Coronel Howard Belote, verificou os painéis solares na Base da Força Aérea de Nellis em Nevada em maio de 2009. AP Photo / Charles Dharapak p O silício tem algumas propriedades químicas especiais, especialmente em sua forma cristalina. Um átomo de silício tem 14 elétrons, dispostos em três conchas diferentes. As duas primeiras camadas - que contêm dois e oito elétrons, respectivamente - estão completamente cheias. A casca externa, Contudo, está apenas pela metade com apenas quatro elétrons. Um átomo de silício sempre procurará maneiras de preencher sua última camada, e para fazer isso, ele vai compartilhar elétrons com quatro átomos próximos. É como se cada átomo estivesse de mãos dadas com seus vizinhos, exceto que, neste caso, cada átomo tem quatro mãos unidas a quatro vizinhos. Isso é o que forma o estrutura cristalina , e essa estrutura acaba sendo importante para esse tipo de célula PV.
p O único problema é que o silício cristalino puro é um mau condutor de eletricidade porque nenhum de seus elétrons é livre para se mover, ao contrário dos elétrons em condutores mais ótimos, como o cobre. Abordar esta questão, o silício em uma célula solar tem impurezas - outros átomos propositalmente misturados com os átomos de silício - o que muda um pouco a forma como as coisas funcionam. Normalmente pensamos nas impurezas como algo indesejável, mas neste caso, nossa célula não funcionaria sem eles. Considere o silício com um átomo de fósforo aqui e ali, talvez um para cada milhão de átomos de silício. O fósforo tem cinco elétrons em sua camada externa, não quatro. Ele ainda se liga aos átomos de silício vizinhos, mas em certo sentido, o fósforo tem um elétron que não tem ninguém com quem se dar as mãos. Não faz parte de um vínculo, mas há um próton positivo no núcleo de fósforo que o mantém no lugar.
p Quando a energia é adicionada ao silício puro, na forma de calor, por exemplo, pode fazer com que alguns elétrons se libertem de suas ligações e deixem seus átomos. Um buraco é deixado para trás em cada caso. Esses elétrons, chamado operadoras grátis , então vagueia aleatoriamente ao redor da estrutura cristalina procurando outro buraco para cair e carregando uma corrente elétrica. Contudo, existem tão poucos deles em silício puro, que eles não são muito úteis. p Mas nosso silício impuro com átomos de fósforo misturados é uma história diferente. É preciso muito menos energia para liberar um de nossos elétrons de fósforo "extras" porque eles não estão amarrados em uma ligação com nenhum átomo vizinho. Como resultado, a maioria desses elétrons se liberam, e temos muito mais portadores livres do que teríamos no silício puro. O processo de adição de impurezas propositalmente é chamado doping , e quando dopado com fósforo, o silício resultante é chamado Tipo N ("n" para negativo) por causa da prevalência de elétrons livres. O silício dopado do tipo N é um condutor muito melhor do que o silício puro. p A outra parte de uma célula solar típica é dopada com o elemento boro, que tem apenas três elétrons em sua camada externa em vez de quatro, para se tornar o silício tipo P. Em vez de ter elétrons livres, Tipo P ("p" para positivo) tem aberturas livres e carrega a carga oposta (positiva). p Na próxima página, veremos mais de perto o que acontece quando essas duas substâncias começam a interagir.
p Quando luz, na forma de fótons, atinge nossa célula solar, sua energia separa pares de elétron-buraco. Cada fóton com energia suficiente normalmente liberará exatamente um elétron, resultando em um buraco livre também. Se isso acontecer perto o suficiente do campo elétrico, ou se elétron livre e buraco livre vagarem dentro de sua faixa de influência, o campo enviará o elétron para o lado N e o buraco para o lado P. Isso causa mais interrupção da neutralidade elétrica, e se fornecermos um caminho de corrente externo, elétrons fluirão através do caminho para o lado P para se unir aos buracos que o campo elétrico enviou para lá, fazendo trabalho para nós ao longo do caminho. O fluxo de elétrons fornece o atual , e o campo elétrico da célula causa um Voltagem . Com corrente e tensão, temos potência , que é o produto dos dois. p Restam mais alguns componentes antes de podermos realmente usar nossa célula. O silício é um material muito brilhante, que pode enviar fótons saltando para longe antes de fazerem seu trabalho, tão p um revestimento anti-reflexo é aplicado para reduzir essas perdas. A etapa final é instalar algo que proteja a célula dos elementos - geralmente um placa de cobertura de vidro . Módulos fotovoltaicos são geralmente feitos conectando várias células individuais para atingir níveis úteis de tensão e corrente, e colocá-los em uma estrutura robusta completa com terminais positivos e negativos. p Quanta energia solar a nossa célula fotovoltaica absorve? Infelizmente, provavelmente não muito. Em 2006, por exemplo, a maioria dos painéis solares atingiu níveis de eficiência de cerca de 12 a 18 por cento. O sistema de painel solar mais moderno daquele ano finalmente conseguiu superar a barreira de 40% de longa data do setor em eficiência solar - alcançando 40,7% [fonte:Departamento de Energia dos EUA]. Então, por que é tão difícil aproveitar ao máximo um dia ensolarado?
A visão familiar de um arco-íris representa apenas uma fatia do amplo espectro eletromagnético. © iStockphoto.com / nataq p A luz visível é apenas parte do espectro eletromagnético. A radiação eletromagnética não é monocromática - é composta por uma gama de comprimentos de onda diferentes, e, portanto, os níveis de energia. (Veja Como funciona a luz para uma boa discussão sobre o espectro eletromagnético.)
p A luz pode ser separada em diferentes comprimentos de onda, que podemos ver na forma de um arco-íris. Uma vez que a luz que atinge nossa célula tem fótons de uma ampla gama de energias, Acontece que alguns deles não terão energia suficiente para alterar um par elétron-buraco. Eles simplesmente passarão pela célula como se ela fosse transparente. Outros fótons ainda têm energia demais. Apenas uma certa quantidade de energia, medido em elétron-volts (eV) e definido pelo nosso material de célula (cerca de 1,1 eV para silício cristalino), é necessário para soltar um elétron. Nós chamamos isso de energia de intervalo de banda de um material. Se um fóton tem mais energia do que a quantidade necessária, então a energia extra é perdida. (Isso é, a menos que um fóton tenha o dobro da energia necessária, e pode criar mais de um par elétron-buraco, mas esse efeito não é significativo.) Esses dois efeitos sozinhos podem ser responsáveis pela perda de cerca de 70% da energia da radiação incidente em nossa célula.
p Por que não podemos escolher um material com um gap realmente baixo, para que possamos usar mais fótons? Infelizmente, nossa lacuna de banda também determina a força (voltagem) de nosso campo elétrico, e se estiver muito baixo, então o que formamos em corrente extra (absorvendo mais fótons), perdemos por ter uma pequena voltagem. Lembre-se de que a potência é a tensão vezes a corrente. O gap de banda ideal, equilibrando esses dois efeitos, está ao redor 1,4 eV para uma célula feita de um único material. p Temos outras perdas também. Nossos elétrons precisam fluir de um lado a outro da célula por meio de um circuito externo. Podemos cobrir o fundo com um metal, permitindo uma boa condução, mas se cobrirmos completamente o topo, então os fótons não conseguem passar pelo condutor opaco e perdemos toda a nossa corrente (em algumas células, condutores transparentes são usados na superfície superior, mas não em todos). Se colocarmos nossos contatos apenas nas laterais de nossa célula, então, os elétrons têm que percorrer uma distância extremamente longa para alcançar os contatos. Lembrar, o silício é um semicondutor - não é tão bom quanto um metal para transportar corrente. Sua resistência interna (chamada resistência em série ) é bastante alto, e alta resistência significa grandes perdas. Para minimizar essas perdas, as células são normalmente cobertas por uma grade de contato metálica que encurta a distância que os elétrons têm que viajar, enquanto cobre apenas uma pequena parte da superfície da célula. Mesmo assim, alguns fótons são bloqueados pela grade, que não pode ser muito pequeno ou então sua própria resistência será muito alta. p Agora que sabemos como funciona uma célula solar, vamos ver o que é preciso para abastecer uma casa com a tecnologia.
Assim como as flores são mais voltadas para o sol forte, o mesmo ocorre com os painéis solares. © iStockphoto.com / AndreasWeber p O que você teria que fazer para abastecer sua casa com energia solar? Embora não seja tão simples quanto colocar alguns módulos em seu telhado, não é extremamente difícil de fazer, qualquer.
p Em primeiro lugar, nem todo telhado tem a orientação correta ou ângulo de inclinação para aproveitar ao máximo a energia solar. Os sistemas fotovoltaicos sem rastreamento no hemisfério norte devem apontar idealmente para o sul verdadeiro, embora as orientações voltadas para as direções mais leste e oeste também possam funcionar, embora sacrificando vários graus de eficiência. Os painéis solares também devem ser inclinados em um ângulo o mais próximo possível da latitude da área para absorver a quantidade máxima de energia durante todo o ano. Uma orientação e / ou inclinação diferente pode ser usada se você quiser maximizar a produção de energia pela manhã ou à tarde, e / ou verão ou inverno. Claro, os módulos nunca devem ser sombreados por árvores ou edifícios próximos, não importa a hora do dia ou a época do ano. Em um módulo PV, se apenas uma de suas células estiver sombreada, a produção de energia pode ser reduzida significativamente.
p Se você tem uma casa sem sombra, telhado voltado para o sul, você precisa decidir qual sistema de tamanho você precisa. Isso é complicado pelo fato de que sua produção de eletricidade depende do clima, o que nunca é completamente previsível, e que sua demanda de eletricidade também irá variar. Felizmente, esses obstáculos são bastante fáceis de superar. Os dados meteorológicos fornecem níveis médios de luz solar mensais para diferentes áreas geográficas. Isso leva em consideração a chuva e os dias nublados, bem como altitude, umidade e outros fatores mais sutis. Você deve projetar para o pior mês, para que você tenha eletricidade suficiente durante todo o ano. Com esses dados e sua demanda doméstica média (sua conta de luz convenientemente permite que você saiba quanta energia você usa por mês), existem métodos simples que você pode usar para determinar quantos módulos fotovoltaicos você precisa. Você também precisará decidir sobre a tensão do sistema, que você pode controlar ao decidir quantos módulos conectar em série. p Você já deve ter adivinhado alguns problemas que teremos de resolver. Primeiro, o que fazemos quando o sol não está brilhando?
p Se você decidir usar baterias, tenha em mente que eles terão que ser mantidos, e então substituído após um certo número de anos. A maioria dos painéis solares tende a durar cerca de 30 anos (e maior longevidade é certamente um objetivo de pesquisa), mas as baterias simplesmente não têm esse tipo de vida útil [fonte:National Renewable Energy Laboratory]. As baterias em sistemas fotovoltaicos também podem ser muito perigosas por causa da energia que armazenam e dos eletrólitos ácidos que contêm, então você vai precisar de um local bem ventilado, invólucro não metálico para eles. p Embora vários tipos diferentes de baterias sejam comumente usados, a única característica que todos devem ter em comum é que são baterias de ciclo profundo . Ao contrário da bateria do seu carro, que é uma bateria de ciclo raso, as baterias de ciclo profundo podem descarregar mais de sua energia armazenada, mantendo uma vida longa. As baterias do carro descarregam uma grande corrente por um período muito curto - para ligar o carro - e são recarregadas imediatamente enquanto você dirige. As baterias fotovoltaicas geralmente precisam descarregar uma corrente menor por um longo período de tempo (como à noite ou durante uma queda de energia), enquanto estiver sendo cobrado durante o dia. As baterias de ciclo profundo mais comumente usadas são baterias de chumbo-ácido (selado e ventilado) e baterias de níquel-cádmio , Ambos têm vários prós e contras. p Na próxima página, vamos nos aprofundar nos componentes que serão necessários para que o sol comece a economizar algum dinheiro.
Este esquema simples mostra como um sistema fotovoltaico residencial freqüentemente toma forma. HowStuffWorks 2000 p O uso de baterias requer a instalação de outro componente denominado controlador de carga . As baterias duram muito mais se não forem sobrecarregadas ou gastas demais. Isso é o que um controlador de carga faz. Assim que as baterias estiverem totalmente carregadas, o controlador de carregamento não permite que a corrente dos módulos FV continue a fluir para eles. De forma similar, uma vez que as baterias foram descarregadas a um certo nível predeterminado, controlado pela medição da tensão da bateria, muitos controladores de carregamento não permitirão que mais corrente seja drenada das baterias até que sejam recarregadas. O uso de um controlador de carregamento é essencial para uma longa vida útil da bateria.
p O outro problema além do armazenamento de energia é que a eletricidade gerada por seus painéis solares, e extraído de suas baterias se você decidir usá-las, não está no formato fornecido por sua concessionária ou usado pelos aparelhos elétricos de sua casa. A eletricidade gerada por um sistema solar é corrente contínua, então você precisará de um inversor para convertê-lo em corrente alternada. E como discutimos na última página, além de mudar DC para AC, alguns inversores também são projetados para proteger contra ilhamento se o seu sistema estiver conectado à rede elétrica.
p A maioria dos grandes inversores permite que você controle automaticamente o funcionamento do sistema. Alguns módulos fotovoltaicos, chamado Módulos AC , na verdade, já tem um inversor embutido em cada módulo, eliminando a necessidade de um grande, inversor central, e simplificando os problemas de fiação. p Jogue no hardware de montagem, fiação, caixas de junção, equipamento de aterramento, proteção de sobrecorrente, Desconexões DC e AC e outros acessórios, e você tem um sistema. Você deve seguir os códigos elétricos (há uma seção no Código Elétrico Nacional apenas para PV), e é altamente recomendável que um eletricista licenciado com experiência em sistemas fotovoltaicos faça a instalação. Depois de instalado, um sistema fotovoltaico requer muito pouca manutenção (especialmente se nenhuma bateria for usada), e fornecerá eletricidade de forma limpa e silenciosa por 20 anos ou mais.
As células solares há muito são um pilar dos satélites; onde eles vão acabar no futuro? © iStockphoto.com / iLexx p Nós conversamos muito sobre como um sistema PV típico opera, mas as questões relacionadas ao custo-benefício (que abordaremos mais detalhadamente na próxima página) estimularam esforços intermináveis de pesquisa voltados para o desenvolvimento e o ajuste fino de novas maneiras de tornar a energia solar cada vez mais competitiva com as fontes de energia tradicionais.
p Por exemplo, o silício monocristalino não é o único material usado em células fotovoltaicas. O silício policristalino é usado na tentativa de cortar custos de fabricação, embora as células resultantes não sejam tão eficientes quanto o silício de cristal único. A tecnologia de células solares de segunda geração consiste no que é conhecido como células solares de filme fino . Embora também tendam a sacrificar alguma eficiência, eles são mais simples e baratos de produzir - e se tornam mais eficientes o tempo todo. As células solares de filme fino podem ser feitas de uma variedade de materiais, incluindo silício amorfo (que não tem estrutura cristalina), arsenieto de gálio, disseleneto de cobre e índio e telureto de cádmio.
p Outra estratégia para aumentar a eficiência é usar duas ou mais camadas de materiais diferentes com lacunas de banda diferentes. Lembre-se de que dependendo da substância, fótons de energias variadas são absorvidos. Portanto, ao empilhar material de maior intervalo de banda na superfície para absorver fótons de alta energia (enquanto permite que os fótons de baixa energia sejam absorvidos pelo material de menor intervalo de banda abaixo), eficiências muito maiores podem resultar. Essas células, chamado células multi-junção , pode ter mais de um campo elétrico. p Concentração de tecnologia fotovoltaica é outro campo de desenvolvimento promissor. Em vez de simplesmente coletar e converter uma porção de qualquer luz solar que simplesmente brilha e é convertida em eletricidade, Os sistemas fotovoltaicos concentrados usam a adição de equipamentos ópticos, como lentes e espelhos, para concentrar maiores quantidades de energia solar em células solares altamente eficientes. Embora esses sistemas sejam geralmente mais caros de fabricar, eles têm uma série de vantagens sobre as configurações convencionais de painéis solares e encorajam mais pesquisas e esforços de desenvolvimento. p Todas essas diferentes versões da tecnologia de células solares fazem com que as empresas sonhem com aplicativos e produtos que abrangem toda a gama, desde aviões movidos a energia solar e usinas de energia baseadas no espaço até itens mais cotidianos, como cortinas movidas a energia fotovoltaica, roupas e estojos para laptop. Nem mesmo o mundo em miniatura das nanopartículas está sendo deixado de fora, e os pesquisadores estão até explorando o potencial de células solares produzidas organicamente. p Mas se os fotovoltaicos são uma fonte tão maravilhosa de energia gratuita, então por que o mundo inteiro não funciona com energia solar?
As células solares ainda podem ser um pouco caras, mas estão ficando mais baratos ano a ano. © iStockphoto.com / acilo p Algumas pessoas têm um conceito errôneo de energia solar. Embora seja verdade que a luz do sol é gratuita, a eletricidade gerada por sistemas fotovoltaicos não. Existem muitos fatores envolvidos para determinar se a instalação de um sistema fotovoltaico vale o preço.
p Primeiro, há a questão de onde você mora. Pessoas que vivem em partes ensolaradas do mundo começam com uma vantagem maior do que aquelas que vivem em locais menos ensolarados, uma vez que seus sistemas fotovoltaicos geralmente são capazes de gerar mais eletricidade. O custo dos serviços públicos em uma área deve ser levado em consideração em cima disso. As taxas de eletricidade variam muito de um lugar para outro, portanto, alguém que mora mais ao norte ainda pode querer considerar a utilização de energia solar, se suas taxas forem particularmente altas.
p Próximo, existe o custo de instalação; como você provavelmente notou em nossa discussão sobre um sistema fotovoltaico doméstico, um pouco de hardware é necessário. A partir de 2009, uma configuração de painel solar residencial custava em média algo entre US $ 8 e US $ 10 por watt para instalar [fonte:Laboratório Nacional de Energia Renovável]. Quanto maior o sistema, menos custa normalmente por watt. Também é importante lembrar que muitos sistemas de energia solar não cobrem completamente a carga de eletricidade 100 por cento do tempo. As chances são, você ainda terá uma conta de energia, embora certamente seja menor do que se não houvesse painéis solares no local. p Apesar do preço de etiqueta, existem várias maneiras possíveis de custear o custo de um sistema fotovoltaico, tanto para residentes quanto para empresas que desejam atualizar e aderir à energia solar. Isso pode vir na forma de incentivos fiscais federais e estaduais, descontos de empresas de serviços públicos e outras oportunidades de financiamento. Mais, dependendo do tamanho da configuração do painel solar - e de quão bem ele funciona - ele poderia ajudar a pagar a si mesmo mais rapidamente, criando o excedente ocasional de energia. Finalmente, também é importante levar em consideração as estimativas do valor da casa. Espera-se que a instalação de um sistema fotovoltaico agregue milhares de dólares ao valor de uma casa. p Agora mesmo, a energia solar ainda tem alguma dificuldade em competir com as concessionárias, mas os custos estão diminuindo à medida que as pesquisas aprimoram a tecnologia. Os defensores estão confiantes de que o PV um dia terá uma boa relação custo-benefício tanto em áreas urbanas como em áreas remotas. Parte do problema é que a fabricação precisa ser feita em grande escala para reduzir os custos o máximo possível. Esse tipo de demanda por PV, Contudo, não existirá até que os preços caiam para níveis competitivos. É um catch-22. Mesmo assim, conforme a demanda e a eficiência do módulo aumentam constantemente, os preços caem, e o mundo se torna cada vez mais consciente das preocupações ambientais associadas às fontes de energia convencionais, é provável que a energia fotovoltaica tenha um futuro promissor. p Para obter mais informações sobre células solares e tópicos relacionados, confira os links na próxima página.
