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Solar Fotovoltaico Concentrado Jeffrey Weisse Enviado como curso de Física 240 , Universidade
de Stanford, outono de 2010 Fundo de célula
solar
O Sol fornece à
Terra energia suficiente para criar estações, afetar as correntes oceânicas e
atmosféricas e formar desastres naturais tão poderosos quanto furacões e
tornados. Embora o Sol esteja a 93 milhões de milhas de distância, ele
fornece continuamente à Terra 1,2 x 10 5terawatts de
poder. [1] No entanto, atender à demanda mundial anual de energia (cerca
de 16,7 terawatts em 2007) sem consumir rapidamente
os recursos mundiais representa um desafio. Surpreendentemente, colher
pouco mais de 1 hora de toda a energia do Sol que chega à Terra é suficiente
para atender à alta demanda anual de energia do mundo. [2] A tecnologia
de células solares oferece uma oportunidade ambientalmente correta de
converter diretamente a luz do sol em eletricidade, estimulando os elétrons
dentro de uma célula solar. No entanto, apesar de seu enorme potencial,
as células solares respondem por menos de 1% da produção mundial de energia,
enquanto as tecnologias de combustíveis fósseis, muito mais eficientes,
produzem 80% -85% da energia mundial. [1] Felizmente, a indústria de
células solares tem crescido a uma taxa exponencial nos últimos 10 anos em
esforços para aumentar a eficiência e conservar nossos recursos
naturais. [3] As células solares
típicas consistem em conectar materiais semicondutores do tipo P e N, que são
capazes de absorver luz no espectro óptico (Fig.1). Essas células
capturam fônons da luz estimulando elétrons para viajar através do gap do
material semicondutor, da banda de valância (VB)
para a banda de condução (CB), formando pares elétron-buraco. A junção pn fornece um campo elétrico que impulsiona os elétrons
na banda de condução em uma direção (para a direita na Fig. 1) e os orifícios
na banda de valência na outra direção (à esquerda na Fig. 1), formando um
externo diferença potencial. [1] Múltiplas
tecnologias de células solares têm sido propostas para aumentar a eficiência
das células solares enquanto se tenta diminuir os custos de
material. Essas tecnologias são organizadas em três grupos: células
solares de primeira, segunda e terceira geração. As células solares de primeira
geração são fabricadas principalmente a partir de pastilhas de silício, incluindo
silício monocristalino e policristalino. [4] A
tecnologia de células solares de silício é o sistema mais maduro e mais
usado, alcançando a melhor eficiência de 25%. Infelizmente, sua economia
é dominada pelo alto custo de purificação de substratos de silício e,
portanto, tem pouco potencial de redução de custo abaixo de US $ 1-2 /
Watt. [3-5] Em esforços para evitar altos custos de material, filme fino
ou células solares de segunda geração foram desenvolvidas. As células
solares de película fina mais populares são CIGS (Cu, In, Ga, Se2), CdTe, e silício amorfo com melhores eficiências de
20,0%, 16,7% e 12,5%, respectivamente. [3] Essas células solares têm o
potencial de quebrar a barreira de $ 1 / Watt; no entanto, suas
eficiências ainda são menores do que as células de silício de primeira
geração, especialmente no nível comercial, e várias células de segunda
geração dependem de materiais escassos e tóxicos. [1,4] As células
solares de primeira e segunda geração sofrem com o limite de Shockley-Queisser, que afirma que a eficiência termodinâmica
máxima para essas células solares é de apenas 31%. [1] O limite de
Shockley-Queisser é baseado em quatro suposições
principais: 1) uma única junção pn, 2) um fônon
cria 1 par elétron-buraco, 3) relaxamento térmico ocorre para qualquer par
elétron-buraco com energia maior do que a banda lacuna e 4) iluminação com
luz solar não concentrada. Recentemente, as células solares de
terceira geração, que violam o limite de Shockley-Queisser,
ultrapassaram a barreira da eficiência de 31%, abrindo o potencial para
aumentar o papel das células solares na produção de energia. [1]
As células solares
de multijução são uma das células solares de
terceira geração mais comuns e bem-sucedidas. Como mencionado
anteriormente, em células solares de junção pn
única, qualquer fóton com energia inferior ao gap do material não será
absorvido e qualquer fóton maior que o gap perderá energia devido ao
relaxamento térmico, conforme mostrado na Fig. 1. [1] As células solares de multijunção contêm várias junções pn
tandem diferentes. Essas junções pn possuem bandgaps semicondutores espalhados pela distribuição
espectral do Sol, dispostos em ordem decrescente (Fig. 2). [3] Isso
permite que a luz solar seja filtrada automaticamente conforme ela passa pela
célula, garantindo que a luz seja absorvida na junção mais
eficiente. [4] Este projeto é capaz de melhorar a eficiência da célula
solar além do limite de Shockley-Queisser,
aumentando o intervalo de fótons absorvidos do espectro solar, ao mesmo tempo
que minimiza suas perdas por termalização. [4]
No entanto, uma vez que as junções são conectadas em série, é fundamental que
os bandgaps do material da junção sejam
selecionados de forma apropriada para gerar correntes semelhantes. [4]
Até agora, as células solares multifuncionais foram fabricadas com
eficiências superiores a 40%, incluindo o atual recorde mundial de
41,6%. [3] Como se poderia imaginar, a eficiência de absorção de luz e
as perdas por termalização poderiam ser melhoradas
com o aumento do número de junções, aumentando ainda mais a eficiência da
célula. As eficiências teóricas para luz solar não concentrada são 43%,
49% e 66% para duas, três e infinitas junções, respectivamente.2 até
2015, torne-os antieconômicos para uso sob luz solar não
concentrada. [3] Concentradores de
células solares Desde a década de
1970, os concentradores de células solares têm sido usados para
aumentar a luz solar fornecida às células solares. Os concentradores
oferecem inúmeras vantagens, incluindo: eficiência superior, custos mais
baixos, menor consumo de material semicondutor e muito mais. [7] No
entanto, os concentradores não têm atraído muito interesse recente, uma vez
que não são adequados para pequena escala ou geração de energia doméstica,
mas sim para alta geração de energia. [7]
Os concentradores
de células solares vêm em uma ampla variedade de designs que variam em
qualidade e preço. Atualmente, os concentradores comuns são feitos de
lentes ou refletores de Fresnel plano quadrado, plano linear ou linear
arqueado que têm uma calha parabólica ou forma de prato. [8] Para
atingir a eficiência máxima, os concentradores solares devem projetar a luz
solar perpendicularmente às células. [9] Rastreadores solares podem
ajudar a alinhar os concentradores para aumentar o desempenho. [7] Os sistemas
de rastreamento vêm com recursos de um e dois eixos. Geralmente, todos
os sistemas, exceto a calha parabólica, funcionam melhor com sistemas de
rastreamento de dois eixos. [8] Os sistemas de rastreamento são
normalmente classificados em duas categorias; laço fechado e laço
aberto. Rastreadores de loops próximos usam fotossensores para fornecer
feedback constante, resultando em um alinhamento preciso; Contudo, este feedback constante cria muito estresse
no motor e pode ser facilmente afetado por mudanças ambientais ou limpeza do
sensor. [8] Rastreadores de loop aberto são pré-programados para seguir
o sol de acordo com a hora, longitude do sol, declinação, azimute local,
altitude, nascer do sol e pôr do sol. Esses sistemas não são afetados pelo
ambiente ou envolvem feedback constante; no entanto, eles dependem de
cálculos astronômicos de alta precisão para prever o alinhamento
ideal. [8] No entanto, todos esses concentradores e rastreadores
funcionam com mais eficiência em regiões ensolaradas com céu claro, uma vez
que a luz difusa não é concentrada com tanta
eficiência. [3] longitude do sol, declinação, azimute local,
elevação, nascer e pôr do sol. Esses sistemas não são afetados pelo
ambiente ou envolvem feedback constante; no entanto, eles contam com cálculos
astronômicos de alta precisão para prever o alinhamento ideal. [8] No
entanto, todos esses concentradores e rastreadores funcionam com mais
eficiência em regiões ensolaradas com céu claro, uma vez que a luz difusa não
é concentrada com tanta eficiência. [3] longitude do sol,
declinação, azimute local, altitude, nascer e pôr do sol. Esses sistemas
não são afetados pelo ambiente ou envolvem feedback constante; no
entanto, eles dependem de cálculos astronômicos de alta precisão para prever
o alinhamento ideal. [8] No entanto, todos esses concentradores e
rastreadores funcionam com mais eficiência em regiões ensolaradas com céu
claro, uma vez que a luz difusa não é concentrada com tanta
eficiência. [3] todos esses concentradores e rastreadores funcionam
com mais eficiência em regiões ensolaradas com céu claro, uma vez que a luz
difusa não é concentrada com tanta eficiência. [3] todos esses
concentradores e rastreadores funcionam com mais eficiência em regiões
ensolaradas com céu claro, uma vez que a luz difusa não é concentrada com
tanta eficiência. [3]
Convenientemente,
quando uma célula solar é exposta à luz concentrada, a célula é capaz de
extrair mais corrente por área, aumentando sua eficiência. Quando a luz
concentrada brilha em uma célula solar, a fotocorrente
da célula solar (I L )
normalmente aumenta linearmente com a intensidade de energia solar (P S ). [10]
Enquanto isso, a fotovoltagem (V OC ) aumenta logaritmicamente
com o aumento da fotocorrente, V OC =
V T ln (I L /
I O ), onde V T é a tensão térmica
e I O é a corrente de saturação. Na maior parte,
isso significa que a eficiência (η) aumenta logaritmicamente
conforme o aumento da intensidade da luz, η = V OC(I L /
P S ) FF. [8] Nessa equação, FF é o fator de
preenchimento que também aumentará muito lentamente com a intensidade da luz
até que, em altas correntes, ele diminua drasticamente, diminuindo também a
eficiência (Fig. 3). A diminuição de FF é devido à queda ôhmica na
resistência em série em altas correntes. Isso significa que a
resistência em série deve ser muito baixa em células solares de alta
concentração. [8] Além disso, como se poderia imaginar, a temperatura da
célula solar também aumentaria com a luz concentrada do relaxamento térmico,
apesar dos melhores esforços de resfriamento. Dissipadores de calor ou
sistemas de resfriamento típicos são conectados à célula solar para permitir
que as células operem em temperaturas inferiores a 80 ° C. [8] Em
temperaturas mais altas, os intervalos de banda do semicondutor reduzem
ligeiramente, bem como o VOC . [8]
No entanto, algumas células solares ainda podem ser operadas adequadamente em
taxas de concentração de até 1000X e possivelmente 5000X. [8] O custo de uma
célula solar pode ser estimado em uma primeira aproximação em escala com a
área da célula. [10] Portanto, uma concentração de 1000X diminuiria o
custo do componente de célula solar 1000 vezes. Recentemente, a Emcore fez uma venda de US $ 24 milhões para a Green and Gold Energy (GGE) por células solares multijuncionais para instalação de 105 MW. [3] Isso
se traduziria em $ 0,23 / Watt, que é significativamente menos
do que as células solares de primeira e segunda geração. [3] No entanto,
este preço não inclui o custo do terreno, manutenção e sistemas de
concentração e rastreamento que a GGE teria que usar para obter sua taxa de
concentração desejada de 1100X. Projetar esses custos não é uma tarefa
simples; no entanto, a figura 4 mostra o custo total do sistema em $ /
Watt para sistemas que variam de $ 100 / m 2 a $ 1000 /
mm 2para terra, sistema de concentração e custos de
instalação e manutenção. [3] Como você pode ver, os custos associados
aos concentradores desempenham um papel importante e devem ser melhorados para
tornar lucrativas as células solares de alta eficiência. Conclusão O uso de
concentradores solares em células solares multijuncionais
tem a capacidade de colher luz solar com alta eficiência a um custo
relativamente baixo, sem a necessidade de depender de grande quantidade de
materiais semicondutores e área de terra, o que é muito atraente para os
investidores. [10] No entanto, o custo do sistema concentrador e sua manutenção
é bastante alto em comparação com o custo real da célula solar por
área. Apesar desses problemas, as células solares concentradas de alta
eficiência têm o potencial de entrar no mercado de energia em dezenas ou
centenas de megawatts por ano e até mesmo produzir uma porção substancial da
energia futura do mundo. © Jeffrey Weisse. O autor concede permissão para copiar,
distribuir e exibir este trabalho de forma inalterada, com atribuição ao
autor, apenas para fins não comerciais. Todos os outros direitos,
incluindo direitos comerciais, são reservados ao autor. Referências [1] GW Crabtree e NS Lewis, "Solar Energy Conversion", Physics
Today 60 , No. 3, 37 (2007). [2] " International Energy Outlook 2010 ,) US Energy Information Administration, DOE
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de uma indústria de energia fotovoltaica de concentração madura ", NREL Technical
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Geração Fotovoltaica: Conversão Avançada de Energia Solar (Springer,
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(2000). [8] A. Luquei, "Photovoltaic Concentration at the Onset of
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