células solares

agora para mais detalhes…

é uma introdução básica às células solares-e se isso é tudo o que você queria, você pode parar aqui.O resto deste artigo entra em mais detalhes sobre diferentes tipos de células solares, como as pessoas estão colocando a energia solar para uso prático, e por que a energia solar está demorando tanto tempo para se ligar.quão eficientes são as células solares?

gráfico: Eficiências de células solares comparadas: a primeira célula solar raspada em uma mera eficiência de 6 por cento; a mais eficiente que foi produzida até à data conseguiu 46 por cento em condições laboratoriais. A maioria das células são tipos de primeira geração que podem gerenciar cerca de 15 por cento em teoria e provavelmente 8 por cento na prática.uma regra básica da física chamada Lei da conservação da energia diz que não podemos magicamente criar energia ou fazê-la desaparecer em raridade; tudo o que podemos fazer é convertê-la de uma forma para outra. Isso significa que uma célula solar não pode produzir mais energia elétrica do que recebe cada segundo como luz. Na prática,como veremos em breve, a maioria das células convertem cerca de 10-20% da energia que recebem em electricidade. Um solarcell de junção única típica tem uma eficiência máxima teórica de cerca de 30 por cento, conhecido como limite theShockley-Queisser. Isso é essencialmente porque a luz solar contém uma ampla mistura de fótons de diferentes comprimentos de onda e energia e qualquer célula solar de junção única será otimizada para cronometrar fótons apenas dentro de uma determinada faixa de frequência, desperdiçando o resto.Alguns fotões que atingem uma célula solar não têm energia suficiente para eliminar electrões, por isso são efectivamente desperdiçados, enquanto alguns têm demasiada energia, e o excesso também é desperdiçado. As células de laboratório mais modernas e de ponta conseguem gerir 46% da eficiência em condições absolutamente perfeitas, utilizando múltiplas junções para capturar fótons de diferentes energias.painéis solares domésticos no mundo Real podem atingir uma eficiência de cerca de 15 por cento, givea ponto percentual aqui ou ali, e isso é improvável de ficar muito melhor.De primeira geração, as células solares de junção única não vão alcançar a eficiência de 30% do limite de Shockley-Queisser, não importa o registro laboratorial de 46%. Todos os tipos de traquinas do mundo real serão os fatores de comer para a eficiência nominal,incluindo a construção dos painéis, como eles estão posicionados andangled, se eles estão sempre na sombra, como limpar você mantê-los, howhot eles ficam (aumento das temperaturas tendem a diminuir sua eficiência),e se eles são ventilados (permitindo que o ar circule por baixo)para mantê-los frescos.

tipos de células solares fotovoltaicas

a maioria das células solares que você vai ver nos telhados das pessoas hoje são apenas sanduíches de silício, especialmente tratados (“doped”)para torná-los melhores condutores elétricos. Os cientistas referem-se às células solares cássicas como de primeira geração, em grande parte para diferenciá-las de duas tecnologias diferentes e mais modernas conhecidas como de segunda e terceira geração. Qual é a diferença?

primeira geração

Foto: uma colecção colorida de células solares de primeira geração.Foto cortesia do NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Cerca de 90% das células solares do mundo são feitas a partir de wafers de silício cristalino (abreviado C-Si), cortados de grandes lingotes,que são cultivados em laboratórios super-limpos em um processo que pode demorar até um mês para ser concluído. Os lingotes assumem a forma de cristais únicos (monocristalinos ou mono-Si) ou contêm cristais múltiplos (policristalinos,Multi-Si ou poli-C-Si). As células solares de primeira geração funcionam como se estivéssemos na caixa acima.: eles usam uma única e simples junção entre as camadas de silício do tipo n e do tipo p, que são cortadas de lingotes separados. Assim, um lingote do tipo n seria feito aquecendo chunks de silício com pequenas quantidades de fósforo, antimônio ou arsênico como o dopante, enquanto um Lingot do tipo p usaria boro como o dopante.Fatias de silício do tipo n e do tipo p são então fundidas para fazer a função. Mais alguns sinos e apitos são adicionados (como um revestimento anti-reflexo, que melhora a absorção da luz e dá às células fotovoltaicas a sua cor azul característica, a frente de glasson protetor e uma cobertura de plástico, e Conexões de metal para que a célula possa ser conectada em um circuito), mas uma simples junção p-n é a essência das células solares mais comuns. É praticamente como todos os solarcells fotovoltaicos de silício têm funcionado desde 1954, que foi quando cientistas da Bell Labspioneered a tecnologia: brilhando a luz solar em silício extraído de e, eles geraram eletricidade.

segunda geração

Photo: A thin-film, second-generation solar “panel. O filme gerador de energia é feito de silício amorfo, fixado a um revestimento plástico fino, flexível e relativamente barato (o “substrato”).Foto de Warren Gretz cortesia de NREL (ID de imagem #6321083).

células solares clássicas são wafers relativamente finas-geralmente afracção de um milímetro de profundidade (cerca de 200 micrómetros, 200 µm, ou assim).Mas eles são placas absolutas em comparação com células de segunda geração, popularmente conhecidas como células solares de filme fino (TPSC) ou fotovoltaicas de filme fino (TFPV), que são cerca de 100 timesthinner novamente (vários micrômetros ou milionésimos de um metro de profundidade).Embora a maioria ainda seja feita de silício (uma forma diferente conhecida como silício amorfo, a-Si, em que os átomos são dispostos aleatoriamente em vez de ordenados com precisão em uma estrutura cristalina regular), alguns são feitos de outros materiais, notavelmente cádmio-telureto (Cd-Te) e Copper indium Galium diselenide (CIGS). Porque eles são extremelythin, luz, e células solares flexíveis de segunda geração podem belaminar em janelas, clarabóias, telhas e todos os tipos de”substratos” (materiais de apoio), incluindo metais, vidro e polímeros (plásticos). O que as células de segunda geração ganham em flexibilidade, elas sacrificam ineficiência: as células solares de primeira geração clássicas ainda superam-nas. Assim, enquanto uma célula de primeira geração de topo pode alcançar uma eficiência de 15-20 por cento, o silício amorfo luta para ficar acima de 7%, as melhores células Cd-Te de filme fino só gerem cerca de 11%, e as células CIGS não fazem melhor do que 7-12 por cento. É por isso que, apesar das suas vantagens práticas, as células de segunda geração têm tido até agora um impacto relativamente pequeno no mercado solar.

terceira geração

Foto: Células solares de plástico de terceira geração produzidas por investigadores do Laboratório Nacional de Energias Renováveis.Foto de Jack Dempsey cortesia de NREL (ID de imagem #6322357).as últimas tecnologias combinam as melhores características das células de primeira e segunda geração. Tal como as células de primeira geração, promiserelativamente elevadas eficiências (30% ou mais). Como as células de segunda geração, elas são mais propensas a serem feitas de materiais diferentes do Silício “simples”, como silício amorfo, polímeros orgânicos (fazendo fotovoltaicos orgânicos, OPVs), cristais perovskite, e apresentam múltiplas junções (feitas de múltiplas camadas de semicondutores diferentes). Idealmente, isso torná – los-ia mais baratos, mais eficientes e mais práticos do que as células de primeira ou segunda geração.Atualmente, o recorde mundial de eficiência para a terceira geração de Solaris 28 por cento, alcançado por uma célula solar perovskite-silício tandem em dezembro de 2018.quanta energia podemos fazer com as células solares?

em teoria, uma enorme quantidade. Vamos esquecer as células solares para o momento e considerar apenas a luz solar pura. Até 1000 watts de energia solar em bruto, cada metro quadrado de terra aponta directamente para o sol (isto é, a potência teórica da luz solar directa do Meio—dia num dia sem nuvens-com os raios solares a disparar perpendicularmente à superfície da terra e a dar a máxima iluminação ou insolação, como é tecnicamente conhecido). Na prática, depois de corrigirmos o tilt of the planet and the time of day, o melhor que podemos obter é ismaybe 100-250 watts por metro quadrado em latitudes típicas do Norte (mesmo em um dia sem nuvens). Isso se traduz em cerca de 2-6 kWh por dia (dependendo se você está em uma região do Norte como Canadá orScotland ou em algum lugar mais obrigatório, como Arizona ou México).Multiplicando-nos por um ano inteiro de produção, obtemos entre 700 e 2500 kWh por metro quadrado (700-2500 unidades de electricidade). As regiões mais quentes têm claramente um solarpotencial muito maior: o Médio Oriente, por exemplo, recebe anualmente cerca de 50 a 100% de energia solar mais útil do que a Europa.

infelizmente, as células solares típicas são apenas cerca de 15 por cento eficientes, então só podemos capturar uma fração desta energia teórica. É por isso que os painéis solares precisam ser tão grandes: a quantidade de energia que você pode fazer está obviamente diretamente relacionada com a quantidade de área que você pode dar ao luxo de cobrir com células. Uma única célula solar (aproximadamente o tamanho de um disco compacto) pode gerar cerca de 3-4, 5 watts; uma solarmódula típica feita a partir de uma matriz de cerca de 40 células (5 linhas de 8cells) pode fazer cerca de 100-300 watts; vários painéis solares, feitos a partir de cerca de 3-4 módulos, poderiam, portanto, gerar um máximo absoluto de vários quilowatts (provavelmente apenas o suficiente para atender às necessidades de energia do espaço doméstico).e as quintas solares?

foto: o vasto projeto de Geração Solar Alamosa de 91 hectares no Colorado gera até 30 megawatts de energia solar usando três truques astutos. Em primeiro lugar, há um grande número de painéis fotovoltaicos (500 deles, cada um dos quais capaz de produzir 60kW). Cada painel é montado em um conjunto separado, girando para que ele possa rastrear o sol através do céu.E cada um tem múltiplas lentes Fresnel montadas em cima para concentrar os raios solares nas suas células solares.Foto de Dennis Schroeder cortesia de NREL (ID de imagem #10895528).mas suponha que queremos fazer grandes quantidades de energia solar. Para gerar tanta eletricidade como uma turbina eólica (com um pico de potência de talvez dois ou três megawatts), você precisa de cerca de 500–1000 telhados solares. E para competir com uma grande usina de carvão ou energia nuclear (avaliado nos gigawatts, o que significa mil megawattsor bilhões de watts), você precisaria de 1000 vezes mais novamente—o equivalente de cerca de 2000 turbinas eólicas ou talvez um milhão de telhados solares. (Essas comparações assumem que o nosso Sol e o vento estão a produzir o máximo de potência.)Mesmo que as células solares sejam fontes limpas e eficientes de energia,uma coisa que elas não podem realmente afirmar ser no momento é eficientus da terra. Mesmo aquelas enormes fazendas solares que agora brotam em todo o lugar produzem apenas quantidades modestas de energia (tipicamente cerca de 20 megawatts, ou cerca de 1 por cento como um grande, 2 gigawatt carvão ou usina nuclear). A Ecotricidade da empresa de renovação do Reino Unido estimou que são necessários cerca de 22.000 painéis espalhados por um local de 12 hectares (30 acres) para gerar 4,2 megawatts de energia, cerca de duas grandes turbinas de vento e o suficiente para alimentar 1.200 casas.

potência para as pessoas

Foto: Uma micro-turbina eólica e um painel solar trabalham juntos para alimentar um banco de baterias que mantém esta placa de aviso de construção da rodovia acesa dia e noite. O painel solar é montado, de frente para o céu, na “tampa” amarela plana que você pode ver apenas em cima da tela.algumas pessoas estão preocupadas com o facto de as explorações solares devorarem as terras que cultivam para a agricultura real e a produção de alimentos. Preocupar-se com a terra-take falha um ponto crucial se estamos a falar em colocar solarpanels em telhados domésticos. Ambientalistas argumentam thatthe real ponto de energia solar não é para criar grandes, centralizedsolar estações de energia (tão poderoso, utilitários pode ir em sellingelectricity para impotentes pessoas em um alto lucro), mas para displacedirty, ineficiente, usinas centralizadas, permitindo que as pessoas tomake poder-se no lugar onde eles usá-lo. Isso elimina a ineficiência da produção de energia a partir de combustíveis fósseis, a poluição atmosférica e as emissões de dióxido de carbono que produzem, e também elimina a ineficiência da transmissão de energia do ponto de geração para o ponto de Utilização através de linhas aéreas ou subterrâneas. Mesmo que você tenha que cobrir todo o seu telhado com painéis solares( ou laminar células solares de película fina em todas as suas janelas), se você pudesse medir todas as suas necessidades de eletricidade (ou mesmo uma grande fração deles), não importaria: seu telhado é apenas espaço desperdiçado de qualquer maneira.De acordo com um relatório de 2011 do Fotovoltaica Europeia IndustryAssociation e o Greenpeace, não há nenhuma necessidade real para cobrir valuablefarmland com painéis solares: cerca de 40 por cento de todos os telhados e 15percent de fachadas de prédios, nos países da UE seria adequado para PVpanels, o que equivaleria a cerca de 40% dos totalelectricity demanda até 2020.é importante não esquecer que a geração de energia solar muda para o ponto de consumo de energia—e isso tem grandes vantagens práticas. Relógios de pulso e calculadoras movidos a energia Solar não necessitam de baterias (na prática, eles têm backups de bateria) e muitos de nós gostariam de smartphones movidos a energia solar que nunca necessitaram de recarga. Sinais de estrada e caminho-de-ferro são agora às vezes movidos a energia solar;sinais de manutenção de emergência flashing muitas vezes têm painéis solares fittedso que eles podem ser implantados em até mesmo o mais remoto dos locais. Países em desenvolvimento, ricos em luz solar, mas pobres em infra-estruturas elétricas, painéis solares estão alimentando bombas de água,caixas de telefone e frigoríficos em hospitais e clínicas de saúde.porque é que a energia solar ainda não está ligada?a resposta a isso é uma mistura de fatores econômicos, políticos e tecnológicos. Do ponto de vista económico, na maioria dos países, a electricidade produzida por painéis solares é ainda mais cara do que a electricidade produzida pela queima de combustíveis fósseis poluentes e Sujos. O mundo tem um enorme investimento em infra-estruturas de combustível fóssil e, embora as poderosas companhias petrolíferas se tenham envolvido em projectos de energia solar, parecem muito mais interessadas em prolongar a vida útil das reservas de petróleo e gás existentes com tecnologias como a fraturação (fraturação hidráulica). Politicamente, as empresas petrolíferas, de gás e de carvão são enormemente abastecedoras e influentes e resistem ao tipo de regulamentação ambiental que favorecem tecnologias renováveis, como a energia solar e eólica. Tecnologicamente, como já vimos, as células solares são um “trabalho em progresso” permanente e grande parte do investimento mundial em solar ainda se baseia na tecnologia de primeira geração. Quem sabe se levará mais algumas décadas até que os recentes avanços científicos tornem o negócio da energia solar realmente convincente?um problema com argumentos deste tipo é que eles pesam apenas fatores econômicos e tecnológicos e não consideram os custos ambientais ocultos de coisas como derrames de petróleo,poluição atmosférica, destruição de terras da mineração de carvão, ou mudanças climáticas—e especialmente os custos futuros, que são difíceis de prever. É perfeitamente possível que a crescente sensibilização para estes problemas acelere a transição dos combustíveis fósseis, mesmo que não haja mais progressos tecnológicos; por outras palavras, pode chegar o momento em que já não nos podemos dar ao luxo de adiar a adopção universal das energias renováveis. Em última análise, todos estes factores estão interrelacionados. Com uma liderança política convincente, o mundo poderia comprometer-se a uma revolução solar amanhã: a Política poderia promover melhorias tecnológicas que mudassem a economia da energia solar.só a economia pode ser suficiente. O ritmo da tecnologia, as inovações na indústria transformadora e as economias de escala continuam a fazer descer o custo das células e painéis solares. Só entre 2008 e 2009, de acordo com o ambiente da BBC analystRoger Harrabin,os preços caíram cerca de 30 por cento, e o crescente domínio da China sobre a fabricação solar continuou a conduzi-los para baixo desde então.Entre 2010 e 2016, o custo da energia fotovoltaica em grande escala caiu cerca de 10-15 por cento por ano, de acordo com a administração de informação de Energia DOS EUA; em geral, o preço de mudança para a energia solar caiu em cerca de 90 por cento na última década, cimentando ainda mais a influência da China no mercado. Seis dos dez maiores fabricantes de energia solar do mundo são agora chineses.; em 2016, cerca de dois terços da nova capacidade solar dos EUA vieram da China, Malásia e Coreia do Sul.

Foto: as células solares não são a única maneira de produzir energia a partir da luz solar—ou mesmo,necessariamente, a melhor maneira. Também podemos usar energia solar térmica (absorvendo calor da luz solar para aquecer a água em sua casa), solar passiva (projetando um edifício para absorver a luz solar), e coletores solares (mostrados aqui). Nesta versão, 16 mirrorscolect luz solar e concentrá-lo em um motor Stirling(a caixa cinza à direita), que é um produtor de energia extremamente eficiente. Foto de Warren Gretz cortesia de NREL (ID de imagem #6323238).a recuperar rapidamente?

espera-se que o ponto de inflexão para o sol chegue quando consegue alcançar algo chamado paridade da rede, o que significa que a electricidade gerada pelo sistema solar torna-se tão barata quanto a energia que se compra da rede. Muitos países europeus esperam alcançar esse marco até 2020. A energia Solar tem certamente postado taxas muito impressionantes de crescimento nos últimos anos, mas é importante lembrar que ainda representa apenas uma fração da energia total do mundo. No Reino Unido, por exemplo, a indústria solar se gabou de uma”conquista marcante” em 2014, quando quase dobrou a capacidade total instalada de painéis solares de cerca de 2,8 GW para 5 GW. Mas isso ainda representa apenas um par de grandes centrais eléctricas e, no máximo, apenas 8% da procura total de electricidade do Reino Unido de cerca de 60 GW (factoring in things loudiness would reduce it to some fraction of 8%).de acordo com a US Energy Information Administration,nos Estados Unidos, onde a tecnologia fotovoltaica foi inventada, a partir de 2018, a energia solar representa apenas 1,6% da geração total de eletricidade do país.Isso é cerca de 23 por cento acima de 2017 (quando o solar era de 1,3 por cento), 80 por cento acima em 2016 (quando o número era de 0,9 por cento)e cerca de quatro vezes mais do que em 2014 (quando o solar ficou em apenas 0,4 por cento).Mesmo assim, ainda é cerca de 20 vezes menos do que o carvão e 40 vezes menos do que todos os combustíveis fósseis. Em outras palavras, mesmo um aumento de 10 vezes na energia solar dos EUA veria que não produz muito mais da metade da eletricidade que o carvão faz hoje (10 × 1,6 = 16 por cento, em comparação com 27,4 por cento para o carvão em 2018). Salienta que duas das principais revisões anuais da energia a nível mundial, a análise estatística da BP sobre a energia mundial e as principais estatísticas mundiais da energia da Agência Internacional de energia, mal mencionam a energia solar, excepto como nota de rodapé.

Chart: a energia Solar está fazendo mais de nossa eletricidade a cada ano, mas ainda nem perto de quanto carvão. Este gráfico compara a percentagem de electricidade produzida nos Estados Unidos pela solarpower (linha verde) e pelo carvão (linha vermelha). A situação é melhor em alguns países e pior noutros.Puxado por explainthatstuff.com usando dados históricos e atuais da Administração de informação energética dos EUA.isso vai mudar em breve? Talvez. De acordo com um 2016 papel por pesquisadores da Universidade de Oxford,o custo da energia solar está caindo tão rápido que é no curso para fornecer 20 percentof as necessidades de energia do mundo por volta de 2027, o que seria uma mudança de passo de onde estamos hoje,e a mais rápida taxa de crescimento que alguém já anteriormente previsão. Será que esse ritmo de crescimento pode continuar? Será que a energia solar pode realmente fazer a diferença para a mudança climática antes que seja tarde demais? Olha para este espaço!

uma breve história de células solares

• 1839: O físico francês Alexandre-Edmond Becquerel (pai do pioneiro da radioatividade Henri Becquerel) descobre que alguns metais são fotoelétricos: eles produzem eletricidade quando expostos à luz.1873: o engenheiro inglês Willoughby Smith descobre que selênio é um fotocondutor particularmente eficaz (é mais tarde usado por Chester Carlson em sua invenção da fotocopiadora).1905: o físico alemão Albert Einstein descobre a física do efeito fotoelétrico, uma descoberta que eventualmente lhe rendeu um Prêmio Nobel.
• 1916: O físico americano Robert Millikan prova experimentalmente a teoria de Einstein.1940: Russell Ohl do Bell Labs acidentalmente descobre que um semicondutor de junção dopado produzirá uma corrente elétrica quando exposto à luz.
• 1954: pesquisadores do Bell Labs Daryl Chapin, Calvin Fuller, e Gerald Pearson fazem a primeira célula solar fotovoltaica de silício, que é cerca de 6 por cento eficiente (uma versão mais tarde gerencia 11 por cento). Eles anunciam sua invenção-inicialmente chamada de “bateria solar” – em 25 de abril.
• 1958: Vanguard, Explorer, and Sputnik space satellites begin using solar cells.1962: 3600 das baterias solares Bell são usadas para alimentar a Telstar, o pioneiro satélite de telecomunicações.1997: o governo Federal dos EUA anuncia a sua iniciativa milhões de telhados solares-para construir um milhão de telhados movidos a energia solar até 2010.2002: a NASA lança seu Pathfinder mais plano solar.
• 2009: cientistas descobrem que os cristais de perovskite têm grande potencial como materiais fotovoltaicos de terceira geração.
• 2014: Uma colaboração entre cientistas alemães e franceses produz um novo recorde de 46% de eficiência para uma célula solar de quatro junções.
• 2020: prevê-se que as células solares atinjam a paridade da rede (electricidade gerada por energia solar que você faz a si próprio será tão barata como a energia que compra da rede).
• 2020: As células de perovskite-silício prometem um grande aumento na eficiência solar.