Como a energia solar funciona?

9 meses ago
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A energia solar é exatamente o que parece: a derivação de energia elétrica da energia irradiada pelo Sol sobre a superfície da Terra. O fenômeno responsável pela conversão da energia da luz em energia elétrica é o efeito fotovoltaico, o gêmeo idêntico do efeito fotoelétrico.

O efeito fotoelétrico

Apesar de reescrever as leis da gravidade e revolucionar completamente nossa compreensão de massa, energia, espaço e tempo, foi a descoberta do efeito fotoelétrico pelo qual Einstein recebeu o Prêmio Nobel. No entanto, embora a descoberta pareça insignificante em um nível macroscópico, ela era profunda em um sentido microscópico. Ela gerou o que agora chamamos de física moderna, cujo princípio central é a natureza dual da luz e da matéria. O efeito fotoelétrico é a prova da dupla natureza da luz.

Em 1887, um curioso Heinrich Hertz observou que um metal ejeta elétrons – significados por faíscas – quando é iluminado pela luz. O fenômeno, justamente chamado de efeito fotoelétrico, confundiu físicos do século XIX treinados em física clássica, segundo os quais a luz se comporta apenas como uma onda, incapaz de explicar convincentemente por que uma onda de luz deveria expelir elétrons de um metal.

Luz da estrela

A luz e a matéria exibem a dualidade onda-partícula. (Crédito da foto: pixabay)

No entanto, em 1905, Einstein desafiou um século de trabalho e milênios de senso comum para propor que a luz se comportasse tanto como uma onda quanto uma partícula. Segundo Einstein, são essas partículas responsáveis ​​pelo efeito fotoelétrico. As partículas, ele postulou, são emitidas como pacotes discretos de energia, que ele chamou de fótons. Quando um metal é atingido por fótons, os fótons colidem e empurram os elétrons para longe, como uma bola sugando uma bola 8. Resultados experimentais combinaram previsões teóricas, provando assim que sua teoria era indubitavelmente verdadeira.

No entanto, um fóton não ejetar necessariamente um elétron. Quando atingidos por fótons de baixa energia, os elétrons não são ejetados; eles aceleram, mas ainda estão contidos dentro do metal. Isso é chamado de efeito fotovoltaico, pois torna o metal condutor. Embora tecnicamente seja o efeito fotoelétrico no qual a energia solar se baseia, é essa minúscula diferença para a qual devemos fazer a distinção e atribuir a capacidade de um dispositivo fotovoltaico ao efeito fotovoltaico .

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A célula fotovoltaica

Uma célula fotovoltaica é simplesmente dois semicondutores colados um ao outro. Um semicondutor, como o nome sugere, é um material que conduz, mas apenas parcialmente. A condutividade de um semicondutor como silício ou germânio fica entre a condutividade de um metal, como o cobre, e um isolante, como a borracha. Com condutividade nem imensa nem insignificante, os semicondutores nos fornecem a capacidade de controlar a corrente.

Um semicondutor normalmente conduz a alta temperatura, mas também podemos fazê-lo por meio de injeção de impurezas. Isso é chamado de doping. Um semicondutor é dopado com um átomo que transporta um elétron extra, como o fósforo, ou com um átomo que é privado de um elétron, como o boro. As vagas deixadas pelos elétrons migrados são chamadas de buracos e são consideradas cargas positivas. O primeiro então se torna um semicondutor do tipo n, enquanto o segundo se torna um semicondutor do tipo p.

No entanto, individualmente, os dois semicondutores são incapazes de conduzir corrente. Para criar corrente, deve existir um campo elétrico, e para criar um campo elétrico, deve existir uma diferença de potencial, que é criada pela colagem dos semicondutores tipo-p e tipo-n. Agora, os elétrons, quando atingidos vigorosamente pelos fótons, não rolam ao longo de uma superfície nivelada. Em vez disso, a colagem ou a criação de um potencial tornou a “mesa de snooker” inclinada no meio. Os fótons atingem os elétrons, que correm por esse declive até a outra extremidade, onde são capturados por um condutor conectado a, digamos, uma lâmpada.

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Naturalmente, a corrente produzida por uma única célula é insuficiente para alimentar, por exemplo, uma torradeira. Múltiplas células são, portanto, conectadas em série para formar grades ou matrizes. São essas grades, as lousas brilhantes, ou o que chamamos de painéis, que encontramos absorvendo o sol em fazendas e telhados solares. Cada célula é adornada com um revestimento anti-reflexivo, que garante que absorve o máximo de luz possível. Como conseqüência da natureza unidirecional do declive, a corrente criada é DC. A saída dos painéis é, portanto, conectada a um inversor que converte a CC em CA, que é o que alimenta as residências e as indústrias.

Os prós e os contras

Os cientistas sabem que a energia, embora pareça escassa, na verdade não é. Nosso planeta está repleto de energia, mas o que nos falta é o conhecimento de como ele deve ser colhido. Por exemplo, dois séculos atrás, a energia era obtida exclusivamente da queima de carvão. Ainda é, mas no passado era praticamente a única fonte. Esta foi uma grande fonte de ansiedade, considerando que a quantidade de carvão escondida pela Terra é finita.

Então, o E = mc² de Einstein nos revelou a energia surpreendente que se aglomerava em meros átomos. Ainda assim, enquanto a energia – que nós chamamos de urânio-nuclear produz, é ampla, o elemento é muito mais escasso que os combustíveis fósseis. A equação de Einstein é revolucionária porque nos expurga da ansiedade: um copo de água, de acordo com a equação, armazena cerca de 1,5 Terra-Watthours (TWh) de energia potencial de fusão. Para colocar isso em perspectiva, os EUA em 2010 consumiram 4.000 TWh de energia. Em outras palavras, seriam necessários apenas 2.600 copos de água para alimentar os EUA por um ano. Supondo que existam 2600 cidades nos EUA, um copo de água poderia abastecer cada cidade. No entanto, como podemos desbloquear essa energia? Nós não temos ideia.

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De acordo com a equação de Einstein, um copo de água armazena cerca de 1,5 Terra-Watthours (TWh) de energia potencial de fusão. (Crédito da foto: Pixabay)

Outras fontes aparentemente inextinguíveis são os recursos naturais, como o vento, a água e, é claro, o sol. O Sol tem sido a principal fonte de energia da Terra desde que o planeta nasceu. Ela nos ilumina com um valor de 122 PW de energia luminosa, que é 10.000 vezes a energia média consumida por toda a humanidade em 2005. Portanto, teria sido terrivelmente tolo não capturá-la de alguma forma. Nós estávamos alheios a esse potencial até nos tornarmos conscientes do efeito fotoelétrico. Vale a pena mencionar novamente que o que é limitado não é a energia, mas o nosso conhecimento do Universo. É esse conhecimento que permite a inovação.

Além disso, diferentemente dos combustíveis fósseis, a energia solar não é apenas copiosamente disponível, mas também não polui o meio ambiente. Não produz absolutamente gases com efeito de estufa, responsáveis ​​pela escalada da temperatura do planeta. Além disso, devido à ridícula escalabilidade dos semicondutores, as células solares podem agora tornar-se mais finas do que um fio de cabelo humano. Eles são pequenos e eficientes! Nós os encontramos brilhando em calculadoras e relógios, e hoje, carros inteiros são movidos a energia solar! No entanto, a energia solar é usada principalmente para alimentar satélites e sondas, uma vez que a luz solar no espaço é mais abundante e não é absorvida de forma alguma, como acontece na Terra devido à atmosfera.

painel solar satelite calculater e terraçoDe fato, se a presença da atmosfera não fosse suficiente, as nuvens flutuando acima também sufocariam a luz. A dependência da energia solar em relação ao clima é uma grande desvantagem … mas não a única. Sim, os painéis não produzem gases de efeito estufa, mas as máquinas empregadas na extração do silício e na construção e fabricação dos próprios painéis. Enquanto os painéis e a energia produzida são admirados por serem imaculados, o que se esconde por trás desses painéis é uma mistura de produtos químicos tóxicos. Além disso, não vamos esquecer que o produto é imensamente caro. A este respeito, parece-me que nunca podemos enganar a natureza. Podemos fugir das leis da natureza, apenas para tropeçar nas leis impiedosas da economia. A energia renovável é certamente o futuro, mas certamente é cara.

Referências:

  1. Phys.Org
  2. Universidade da Flórida Central
  3. NASA.Gov
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Comments
  • Ouvi falar que vão liberar o FGTS para comprar equipamentos de energia solar.

    Cyntia Campos 11 de maio de 2019 14:07 Responder

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