Concentradores solares em forma de folha aumentam eficiência da energia solar

Seja para ocupar menos espaço, seja para aproveitar todo o potencial de células solares mais eficientes, é comum o uso de concentradores solares, aparatos que concentram a luz do Sol sobre cada célula solar, como se fossem lupas muito precisas. Quanto mais “sóis” são concentrados na célula, mais eletricidade ela gera.

Uma classe muito promissora desses dispositivos é composta pelos concentradores solares luminescentes (CSL), que aumentam a captura de energia solar usando materiais luminescentes para converter e concentrar a luz solar nas células fotovoltaicas. Ao contrário dos concentradores tradicionais, que usam espelhos e lentes, os CSLs podem coletar luz difusa e têm sido usados em aplicações como fotovoltaicos integrados a edifícios, onde sua natureza semitransparente e colorida oferece benefícios estéticos.

No entanto, tem sido difícil tirar proveito delas nas grandes fazendas solares porque aumentar a escala dos CSLs tropeça em problemas como a autoabsorção dos fótons fotoluminescentes dentro do próprio dispositivo.

Agora, Hiroto Nishimura e colegas da Universidade Ritsumeikan, no Japão, estão propondo um modelo inovador de “CSL de folha”, que promete superar essas limitações, aumentando a coleta e a transferência de luz para as células fotovoltaicas.

É mais um exemplo da biomimética, em que soluções desenvolvidas pela natureza servem de inspiração para tecnologias humanas.

A equipe está integrando outras tecnologias nos concentradores, como o uso de espelhos nas bordas (direita).
[Imagem: Hiroto Nishimura et al. – 10.1117/1.JPE.14.035501]

Biomimética na energia solar

Imitar as folhas das plantas para criar novos concentradores solares luminescentes oferece várias vantagens, incluindo a modularidade e a redução do tamanho lateral dos módulos individuais, o que melhora a eficiência da coleta de fótons.

Por exemplo, reduzir o comprimento lateral de um CSL de folha quadrada, de 50 mm para 10 mm, aumentou significativamente a eficiência da coleta de fótons. O design modular também permite a fácil substituição de unidades danificadas e a integração de materiais luminescentes avançados à medida que novos materiais se tornam disponíveis.

E, para melhorar ainda mais a eficiência do sistema, os pesquisadores incorporaram técnicas dos CSLs tradicionais (planares), como espelhos nas bordas e estruturas em paralelo.

Os experimentos demonstraram que a eficiência óptica dessas estruturas semelhantes a folhas pode ser calculada analiticamente com base no espectro e na intensidade da luz incidente, usando uma técnica de excitação de ponto único.

Otimizar a coleta de luz nesses concentradores abre o caminho para soluções de energia solar mais flexíveis, escaláveis e adaptáveis para vários usos, de instalações em larga escala a sistemas integrados a casas e prédios.