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Temperatura e
energia solar Katie Malone Enviado como curso de Física 240 ,
Universidade de Stanford, outono de 2010 A relação entre temperatura e energia solar é multifacetada. Dois
meios principais de aproveitar a energia do sol são as células fotovoltaicas
(PV) e os coletores de energia térmica; a alta temperatura diminui a
eficiência do primeiro, mas é a base do segundo. Portanto, embora a
temperatura seja inimiga da eficiência de um painel fotovoltaico, os
coletores de energia térmica fornecem um meio complementar de aproveitar a
energia solar em climas quentes. Células fotovoltaicas As células fotovoltaicas geralmente são feitas de silício e, quando os
fótons do Sol atingem os átomos de silício, eles liberam elétrons para criar
pares de elétron-buraco. O silício é fabricado de modo que tenha
material tipo p dopado positivamente que é adjacente ao material tipo n
dopado negativamente, de modo que há um campo elétrico que faz com que os
pares de elétron-buraco se afastem. Eletrodos são então fixados nas
extremidades da célula e os elétrons e buracos que se deslocam são a corrente
que a célula produz. Uma das grandezas que caracterizam uma célula solar é a tensão de
circuito aberto, que é a queda de tensão em uma célula quando há uma corrente
que é da mesma magnitude que a corrente fotovoltaica, mas não do sol. Em
outras palavras, é a queda de tensão quando nenhuma carga externa é aplicada,
e é a tensão máxima possível que a célula pode suportar. A tensão de
circuito aberto obedece à equação V oc = (kT / e) ln (I sc /
I o + 1) onde I sc é a corrente
máxima (corrente de curto-circuito), I o é a corrente de
saturação e T é a temperatura da célula. A potência máxima que a célula
gera é dada por P máx = I sc V oc FF onde FF é o fator de preenchimento, um parâmetro que descreve as
características reais de corrente e tensão (normalmente tem um valor em torno
de 0,7 e diminui à medida que a temperatura da célula aumenta). [1] O que tudo isso significa é que a potência máxima que uma célula FV
pode gerar diminui à medida que a temperatura da célula aumenta e, como a
eficiência é a potência gerada dividida pelo incidente de potência, a
eficiência de uma célula FV diminuirá linearmente com a temperatura. A
quantidade exata dessa redução obviamente depende dos detalhes, e há muitas
pesquisas sobre como minimizar esse impacto na eficiência, mas as fontes estimam
que uma redução típica da eficiência é de 0,5% por grau Celsius. [2] É
importante notar que, mesmo se a eficiência cair, a energia geral coletada
pode aumentar se houver mais luz do sol em uma célula, mas permanece o fato
de que um dia quente e ensolarado é uma faca de dois gumes para uma célula
fotovoltaica. Coletores de calor solar Mas essa não é toda a história da coleta de energia
solar. Qualquer pessoa que tenha tocado em um banco de metal em um dia
quente e ensolarado sabe que o sol é excelente para aquecer
materiais; uma classe inteira de coletores solares se baseia na coleta e
concentração de energia térmica e no uso dela para produzir energia. A
energia solar pode ser usada para aquecer um material e fornecer a energia
térmica para fazer funcionar um gerador de turbina. Na maioria dos
casos, os próprios coletores solares são parabólicos, que focalizam os raios
de luz ao longo de uma linha, ao longo da qual corre um tubo que transporta o
fluido de transferência de calor para que o fluido absorva mais calor do que
em um coletor de tela plana. O desempenho exato desses tipos de coletores obviamente varia com os
detalhes de um sistema específico. Coletores de canal parabólico e
outros tipos semelhantes de coletores têm linhas de fluido térmico que são
revestidas com materiais que, em um sistema típico, podem absorver 97% da
radiação incidente, mas emite apenas 18% de volta na radiação de corpo negro
(a 80 ° C) . [1] Normalmente, esses sistemas
também podem ser controlados para rastrear o sol enquanto ele se desloca pelo
céu; os detalhes exatos de orientação e rastreamento podem ser
ajustados, por exemplo, para fornecer mais energia no verão ou no inverno. Essa tecnologia é o método por trás dos nove arrays
que foram construídos no deserto de Mojave após a crise de energia da
Califórnia [3], portanto, a tecnologia é desenvolvida o suficiente para ser
implantada em escala comercial. Talvez mais intrigante seja a tecnologia
associada que usa sal fundido como fluido térmico; o sal pode ser aquecido
durante o dia e armazenado até a noite. A capacidade de armazenar a
energia para uso posterior é muito importante porque significa que a energia
solar pode ser usada quando o sol não está brilhando, tornando-a muito mais
viável comercialmente; você pode usar a energia solar armazenada durante
o dia, por exemplo, para assistir TV à noite. [4,5] Livros inteiros podem (e têm) sido escritos para explorar essas
questões com mais profundidade e amplitude. O sol é uma fonte fenomenal
de energia (um cálculo feito no verso mostra que ele fornece 1000 W / m 2 ao
redor do equador ao meio-dia!) E é o mais renovável possível como fonte de
energia. Outros meios de aproveitar essa energia, como aquecedores
solares de água e aquecedores solares, dão uma ideia do progresso já feito
nessa frente. Ao mesmo tempo, porém, é importante lembrar as limitações
da tecnologia atual. Métodos de coleta de energia solar fotovoltaica e
térmica demonstram que algo tão elementar como o calor do sol pode ter
efeitos complicados e importantes na viabilidade da energia solar como uma
importante fonte alternativa de energia. © Caitlin Malone. 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] SA Kalogirou, Engenharia de
Energia Solar: Processos e Sistemas (Elsevier, 2009). [2] RA Messenger e J. Ventre, Photovoltaic
Systems Engineering (CRC Press, 2004). [3] Sociedade Alemã de Energia Solar, Planejamento e
Instalação de Sistemas Solares Térmicos: Um Guia para Instaladores,
Arquitetos e Engenheiros (James e James, 2005). [4] C. Barile, " Solar Thermal Energy Storage Systems ," Physics 240, Stanford University,
28 de novembro de 10. [4] RW Bradshaw e NP Siegel, "Molten Nitrate Salt Development for Thermal Energy Storage in Parabolic Trough Solar Power Systems," in Proc. da
2ª Int. Conf. on Energy Sustainability - Vol II (Am.
Soc. Mech. Eng., 2009), p. 631. |