Energia solar: Como coletar efetivamente a energia do Sol

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Atualizado em: 14 Dec 2020

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 :

Image of Comprimentos de ondas — Comprimentos de ondas

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

Image of Espectro Eletromagnético — Espectro Eletromagnético

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

Image of Espectro da radiação solar — Espectro da radiação 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 image:

Image of Energia solar concentrada — 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?

Image of Célula solar, módulo/painel e matriz — 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:

Image of Estrutura do silício — 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.

Image of Semicondutores do tipo N e P — 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 um elétron livre na metade tipo n consegue chegar à metade tipo p, ele preenche uma lacuna.

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”.

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.

Image of Repulsão de elétrons para a metade tipo n — 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 .

Image of Como os elétrons são mobilizados quando a luz atinge a região de depleção — 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!

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

Image of Processo de 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?

Image of Tempo de retorno da energia solar — 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?

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.

Image of Área de energia solar necessária para suprir a demanda mundial por energia — 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:

Image of Eficiência da energia solar fotovoltaica ao longo do tempo. — Eficiência da energia solar fotovoltaica ao longo do tempo.

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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