O motor térmico fotovoltaico, na verdade, é uma célula termo, semelhante às células fotovoltaicas dos painéis solares, que captura passivamente fótons de alta energia de uma fonte de calor incandescente e os converte em eletricidade.
Os engenheiros do MIT e NREL projetaram um motor térmico sem partes móveis. Seus novos testes mostram que converte calor em eletricidade com eficiência superior a 40%, desempenho melhor que as turbinas a vapor tradicionais.
O projeto do equipamento pode gerar eletricidade a partir de uma fonte de calor entre 1.900 e 2.400 °C.
Os pesquisadores planejam incorporar a célula TPV (motor térmico fotovoltaico) em uma bateria térmica em escala de grade. O sistema absorveria o excesso de energia de fontes renováveis, como o sol, e a armazenaria em bancos de grafite quente fortemente isolados.
Quando a energia é necessária, as células TPV (motor térmico fotovoltaico) convertem o calor em eletricidade e enviam a energia para uma rede elétrica.
Com a nova célula TPV (motor térmico fotovoltaico), a equipe demonstrou com sucesso as principais partes do sistema em experimentos separados em pequena escala. Eles estão trabalhando para integrar as peças e demonstrar um sistema totalmente operacional.
A partir daí, eles esperam expandir para substituir as usinas movidas a combustíveis fósseis e possibilitar uma rede elétrica totalmente descarbonizada, abastecida inteiramente por energia renovável.
O desafio.
Em média, as turbinas a vapor convertem de forma confiável cerca de 35% de uma fonte de calor em eletricidade, com 60% representando a maior eficiência de qualquer motor térmico até o momento. Mas as máquinas dependem de peças móveis que são limitadas pela temperatura. Fontes de calor acima de 2.000ºC, como o sistema de bateria térmica proposto, seriam muito quentes para turbinas.
Nos últimos anos, os cientistas estudaram alternativas para motores térmicos de estado sólido sem partes móveis, que poderiam funcionar efetivamente em temperaturas mais altas.
As células termo fotovoltaicas oferecem uma via de exploração para motores térmicos de estado sólido. Assim como as células solares, as células TPV (motor térmico fotovoltaico) podem ser feitas de materiais semicondutores com um certo bandgap.
Se o material absorver um fóton com energia suficientemente alta, ele pode lançar um elétron através do band gap, onde o elétron pode se conduzir e, assim, gerar eletricidade, sem a necessidade de mover rotores ou pás.
Até o momento, a maioria das células TPV (motor térmico fotovoltaico) atingiu apenas cerca de 20% de eficiência, com um recorde de 32%, pois foram feitas com materiais de baixo bandgap que convertem fótons de baixa temperatura e baixa energia, portanto, convertem energia com menos eficiência.
Captar a luz.
Em seu novo projeto TPV (motor térmico fotovoltaico), Henry e seus colegas tentaram capturar fótons de energia mais alta de uma fonte de calor de temperatura mais alta, convertendo assim a energia com mais eficiência.
A nova célula da equipe faz isso com materiais de bandgap mais altos e várias junções, ou camadas de material, em comparação com os projetos de TPV (motor térmico fotovoltaico) existentes.
A célula é feita de três regiões principais: uma liga de banda alta, que fica em cima de uma liga de banda ligeiramente inferior, abaixo da qual há uma camada espelhada de ouro.
A primeira camada captura fótons de energia mais alta de uma fonte de calor e os converte em eletricidade, enquanto fótons de energia mais baixa que passam pela primeira camada são capturados pela segunda e convertidos para aumentar a tensão gerada.
Os fótons que passam por essa segunda camada são refletidos pelo espelho e retornam à fonte de calor, em vez de serem absorvidos como calor desperdiçado.
Eficiência.
A equipe testou a eficiência da célula colocando-a em um sensor de fluxo de calor, um dispositivo que mede diretamente o calor absorvido pela célula.
Eles expuseram a célula a uma lâmpada de alta temperatura e focaram a luz nela. Eles então variaram a intensidade da lâmpada, ou a temperatura, e observaram como a eficiência energética da célula, a quantidade de energia que ela produz em comparação com o calor que absorve, mudava com a temperatura.
Na faixa de 1.900 a 2.400ºC, a nova célula TPV (motor térmico fotovoltaico) manteve uma eficiência em torno de 40%.
Eles podem obter alta eficiência em uma ampla faixa de temperaturas relevantes para baterias térmicas.
A célula dos experimentos mede aproximadamente um centímetro quadrado. Para um sistema de bateria térmica em escala de rede, prevê-se que as células TPV (motor térmico fotovoltaico) precisariam ser dimensionadas para cerca de 3.000 m2 operando em armazéns climatizados para extrair energia de enormes bancos de energia solar armazenada.
Ele destaca que existe uma infraestrutura para fabricação de células fotovoltaicas em larga escala, que também poderia ser adaptada para a fabricação de TPVs (motor térmico fotovoltaico).
Como mencionamos diversas vezes nesse “blog”, o avanço da tecnologia nos oferece cada vez mais possibilidade, há um mundo por se descobrir.
Mais informações: www.nature.com (texto em inglês). Todos os direitos reservados a seu respectivo autor.
