Energia solar: Como coletar efetivamente a energia do Sol

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Em 2 horas, o Sol atinge a Terra com tanta energia quanto a que usamos, mundialmente, em um ano.

Vamos conversar rapidamente sobre a luz antes de falarmos sobre como os painéis solares a convertem em energia útil.

O que, de fato, é a luz?

Podemos pensar na luz como uma onda. A distância entre os picos de onda é chamada de comprimento de onda. A luz vermelha possui um comprimento de onda de cerca de 700 nanômetros (700 bilionésimos de metro), enquanto a luz azul possui um comprimento de onda de cerca de 450 nanômetros:

Comprimentos de ondas

Nossos olhos enxergam apenas comprimentos de onda que medem entre 380 nm e 700 nm. E quanto ao resto?


O conjunto de todos os comprimentos de onda é chamado de Espectro Eletromagnético. Apenas uma pequena parte é luz visível a olho nu:

Espectro Eletromagnético

A luz carrega energia – quanto menor o comprimento de onda, mais energia ela carrega
.

Quais dos quatro tipos de onda listados a seguir, provenientes do Sol, atingem a Terra em maior quantidade?


Espectro da radiação solar

Quais métodos são utilizados para aproveitar a energia solar?


A energia solar térmica é a forma mais intuitiva de energia, então vamos começar por ela.

Energia solar térmica

Em dias ensolarados, você sente mais calor ao sol do que à sombra, certo? Isso acontece porque sua pele absorve a luz do sol e converte parte dela em energia térmica. Nós podemos aproveitar esse calor!

A energia solar concentrada utiliza um grande número de espelhos para concentrar a luz solar em uma área pequena. A luz concentrada é utilizada para aquecer um fluido (água, óleo ou sal fundido) a temperaturas altíssimas. Esse calor pode, então,

  • ser utilizado no aquecimento;
  • ser armazenado;
  • ser convertido em eletricidade através da evaporação da água e da formação de vapor, que é utilizado para girar uma turbina. Isso funciona como na maioria das usinas elétricas. Aqui, temos todo o processo em uma imagem:
Energia solar concentrada

Atualmente, o custo para a energia solar concentrada é alto, mas ela oferece alguns benefícios únicos:

  • Pode ser combinada ao armazenamento térmico para distribuir eletricidade sob demanda;
  • Contribui para a estabilidade e flexibilidade do sistema elétrico.

A energia solar térmica também pode ser utilizada no aquecimento residencial. Painéis de energia solar ou coletores termossolares absorvem a energia do sol para aquecer um fluido que passa pelo painel. Isso é, então, utilizado para aquecer a água, que pode ser utilizada em diversas aplicações domésticas.

A lâmpada reversa: transformar luz em eletricidade?

Célula solar, módulo/painel e matriz

Com a tecnologia da energia solar fotovoltaica, é possível converter luz diretamente em eletricidade. O preço médio da energia gerada por esse modelo é similar ao daquela gerada por combustíveis fósseis – e isso é promissor! Como esse processo funciona?

Grande parte das células solares são feitas de silício. Esse material tem 4 elétrons em sua camada de valência. Quando vários átomos de silício se juntam, eles formam uma malha cristalina devido ao que é chamado pela química de \definition{ligação covalente}{covalent
bond}. Esse processo funciona assim:

Estrutura do silício

Se acrescentarmos um pequeno número de átomos com 5 elétrons em sua camada de valência, como o fósforo, o composto ainda formará cristais. No entanto, haverá alguns elétrons livres flutuando ao redor, porque eles não se encaixam em nenhum lugar da estrutura cristalina.

Por outro lado, se adicionarmos um elemento com apenas 3 elétrons na camada de valência, como o boro, teremos uma estranha lacuna de elétron na estrutura.

Semicondutores do tipo N e P

Então, como chamamos esses materiais diferenciados?

  • O silício com um elemento de 5 elétrons na camada de valência é chamado de semicondutor de tipo n (n para negativo). Isso porque o silício geralmente tem 4 elétrons na camada de valência. Com 5, há um excesso de elétrons, o que o torna negativo.
  • O silício com um elemento de 3 elétrons na camada de valência é chamado de semicondutor de tipo p (p para positivo).

Esses nomes podem nos enganar. Tanto os materiais de tipo n quanto os de tipo p têm uma carga neutra (que não é nem negativa, nem positiva). Então, por que eles são chamados de positivo e negativo? Vamos observar as estruturas acima. O material de tipo n tem um elétron carregado negativamente a mais, enquanto o material de tipo p tem uma lacuna de elétrons carregada positivamente.

Quando colocamos semicondutores dos tipos n e p próximos, formamos o que é chamado de junção P-N. O que você acha que acontece com os elétrons livres quando os dois semicondutores se tocam?


Quando um elétron livre na metade tipo n consegue chegar à metade tipo p, ele preenche uma lacuna.

Junção P-N

O preenchimento da lacuna acontece em uma pequena área em que as metades de tipo p e n se encontram. Esse processo é chamado de região de depleção ou de esgotamento, porque as lacunas nessa região estão “esgotadas”.

Os átomos na região de depleção se tornam negativos por causa dos elétrons se movendo pela região para preencher as lacunas. Por quê?


Por enquanto, tudo certo. Porém, a partir do momento em que as lacunas são preenchidas, o lado negativo se torna mais forte. Isso produz a chamada barreira de campo elétrico. Nesse instante, os elétrons são repelidos da região de depleção pelo campo elétrico, e as lacunas não são mais preenchidas.

Repulsão de elétrons para a metade tipo n

Quando a luz solar entra em ação?

A luz carrega energia. Quando a luz atinge a região de depleção, os elétrons podem deixar as lacunas que eles preencheram.

Como os elétrons são mobilizados quando a luz atinge a região de depleção

Os íons negativos ao redor do elétron expelido o repelem de volta para o material de tipo n. Com um elétron a menos preenchendo uma lacuna, abre-se espaço (eletromagnético) para outro!

Mas como o elétron pode passar pela barreira de campo elétrico feita com todos os íons negativos na região de depleção?


Elétrons se movendo por um cabo? Isso é uma corrente! E é assim que geramos eletricidade a partir da energia solar fotovoltaica.

Processo de energia solar fotovoltaica

Quando o elétron volta para o lado de tipo p, a célula solar retorna ao estado original e o processo pode ser repetido enquanto o sol estiver brilhando. Demais!

Resumindo, este processo acontece repetidas vezes:

  • Um elétron dentro de uma lacuna é atingido pela luz. A energia da luz faz com que o elétron seja ejetado;
  • O campo elétrico criado pelos íons na região de depleção empurra o elétron na direção do lado de tipo n;
  • Agora, existe uma lacuna extra na região de tipo p. Essa lacuna precisa ser preenchida;
  • Um elétron usa o cabo ou o circuito como atalho para preencher o espaço livre.

A energia solar é sustentável?

Tempo de retorno da energia solar

Mas o que acontece quando os painéis param de funcionar após 25 ou 30 anos? Infelizmente, essa é uma questão que permanece aberta. A fim de nos prepararmos para quando os painéis de energia solar construídos hoje se tornarem lixo, precisamos desenvolver métodos acessíveis de reciclagem em larga escala.

Qual seria a área necessária para produzir toda a eletricidade com energia solar fotovoltaica?

Antes de fazermos os cálculos, o que você acha?


Precisaremos de três números para calcular uma estimativa aproximada:

  • A humanidade usa 157 000 TWh de energia por ano.
  • Os EUA são atingidos por, em média, 250 MW de energia por km².
  • Painéis solares fotovoltaicos operam com, aproximadamente, 20% de eficiência, o que significa que eles podem transformar 20% da energia luminosa que os atinge em eletricidade.

Devido à eficiência de 20%, uma área de 1 km² coberta por painéis solares proporciona 50 MW de potência. Você se lembra que energia = potência x tempo? Assim, a quantidade de energia produzida por esses painéis em um ano será de 50 MW x 365 dias x 24 horas = 438 GWh. Isso equivale a 0,438 TWh.

Para dar conta dos 157 000 TWh que a humanidade utiliza, precisaremos de 157 000 / 0,438 = 358 500 km² de painéis solares. Ou, simplificando, a área da Alemanha.

Área de energia solar necessária para suprir a demanda mundial por energia

Isso é muita coisa, mas não é algo irracional. Nós utilizamos 34% da superfície da Terra com plantações e pecuária. Então, em comparação, uma fazenda de painéis solares fotovoltaicos do tamanho da Alemanha (0,3% da superfície da Terra) não é um grande problema.

Contudo, implementar energia solar em uma escala tão grande traz alguns problemas, que são ignorados pelo cálculo acima. O mais notável deles é que o suprimento de energia solar varia muito: não podemos obter energia à noite, mas quando o sol está brilhando, obtemos em excesso! Vamos analisar maneiras de resolver esse problema mais adiante.

É possível aprimorar as energias solar fotovoltaica e solar térmica?

Há várias maneiras de se obter energia solar fotovoltaica. O silício cristalino (a tecnologia que acabamos de explicar) absorve em torno de 20% da energia solar que o atinge. Outras tecnologias de energia solar apresentam 40% de eficiência, mas a um custo mais elevado.

As chamadas técnicas de “filme fino” podem se tornar ainda mais baratas e ecologicamente corretas. Para te dar uma noção da velocidade de desenvolvimento dessa tecnologia, observe o gráfico:

Eficiência da energia solar fotovoltaica ao longo do tempo.

A energia solar térmica pode ser uma fonte renovável de calor ao invés de produzir eletricidade diretamente. Por que isso é útil?


Sistemas de energia solar concentrada poderiam ser implementados em larga escala atualmente, pois possuímos os materiais necessários para construí-los. Ainda que esse tipo de energia seja mais caro do que os combustíveis fósseis, ele tem o potencial de se tornar mais viável quando aplicado em maior escala.

Uma tecnologia pouco explorada, mas que tem muito potencial é a Fotossíntese Artificial. Se pudéssemos fazer com que ela funcionasse em larga escala, poderíamos resolver muitos problemas de uma vez só – você terá mais informações sobre isso no capítulo sobre “Hidrogênio”. Mas não se adiante! Os próximos capítulos trazem tecnologias que também são interessantes e importantes.

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