Universidade de Nova Gales do Sul desenvolve módulo solar espectralmente seletivo com aumento de 34% na produção de eletricidade

De acordo com pt.wedoany.com-Pesquisadores da Universidade de Nova Gales do Sul (UNSW) desenvolveram um módulo solar de silício cristalino (c-Si) semi-transparente e espectralmente seletivo para uso em agrivoltaica.

Para garantir que as culturas protegidas recebam luz suficiente, os módulos fotovoltaicos semi-transparentes atuais utilizam células c-Si opacas espaçadas para criar áreas de vidro transparente por onde a luz solar passa. No entanto, as plantas utilizam apenas uma parte limitada do espectro solar (a radiação fotossinteticamente ativa, ou PAR, com comprimentos de onda de aproximadamente 400-700 nm) para impulsionar a fotossíntese. Os módulos existentes transmitem grandes quantidades do espectro solar que as culturas não necessitam (especialmente comprimentos de onda no infravermelho próximo), que poderiam ser usados para geração de eletricidade — as células c-Si são muito eficientes na conversão de luz infravermelha próxima. O autor correspondente, Ian L. Thomas, afirma que a equipe incorporou dispositivos ópticos espectralmente seletivos nos espaços entre as células dentro dos módulos fotovoltaicos semi-transparentes. "Esses dispositivos ópticos incorporados podem redirecionar a luz infravermelha próxima para as células c-Si para geração de eletricidade, enquanto ainda permitem a passagem de uma proporção muito alta de PAR. A particularidade desta abordagem é que ela combina engenhosamente a tecnologia dicróica existente em larga escala usada na indústria da construção com os processos de fabricação atualmente empregados na montagem de módulos fotovoltaicos."

O módulo utiliza células solares TOPCon Célula Solar e refletores de Bragg distribuídos (DBR), incorporados em uma estrutura de vidro duplo, e emprega uma geometria de concentrador de placa plana para alcançar separação espectral eficiente através de reflexão interna total. O DBR é composto por camadas alternadas de diferentes índices de refração. Ao projetar com precisão a espessura das camadas, a luz refletida sofre interferência construtiva, permitindo atingir refletividade de pico superior a 99,9% na faixa de comprimento de onda alvo. Os pesquisadores avaliaram duas tecnologias comerciais de DBR — revestimentos dielétricos de prata e filmes poliméricos multicamadas. Descobriu-se que os filmes poliméricos multicamadas oferecem maior reflexão no infravermelho próximo, absorção de luz desprezível e seletividade espectral mais nítida, sendo particularmente atraentes para o conceito de módulo proposto. O módulo também depende de um concentrador de placa plana com ranhuras em V, que utiliza uma série de estruturas refletoras inclinadas para redirecionar a luz solar incidente para a área central. Na configuração proposta, essas superfícies inclinadas direcionam a luz infravermelha próxima em um ângulo que permite a reflexão interna total no substrato de vidro, capturando a luz dentro do módulo.

Os pesquisadores usaram o software MATLAB para construir um modelo óptico abrangente para avaliar o desempenho anual do módulo e compará-lo com módulos fotovoltaicos não transparentes tradicionais e módulos fotovoltaicos semi-transparentes com a mesma cobertura de células. O desempenho foi avaliado com base na eficiência óptica, conversão elétrica e transmissão de PAR. O modelo assumiu condições operacionais ideais, simplificando vários fatores, incluindo variações de tensão da célula, efeitos de temperatura, iluminação traseira e resposta específica da cultura à luz, focando principalmente na densidade de corrente de curto-circuito. Simulações realizadas em três locais na Austrália mostraram que, sob iluminação direta, o módulo alcançou um aumento de 34% na produção de eletricidade em comparação com módulos fotovoltaicos semi-transparentes tradicionais, mantendo ao mesmo tempo uma alta transmissão de PAR. O desempenho depende fortemente do ângulo de incidência solar em relação à orientação das ranhuras em V, com comportamento estável ao longo da direção das ranhuras, mas eficiência reduzida na direção transversal devido às limitações da reflexão interna total. O design transmite eficientemente a PAR necessária para as culturas, enquanto redireciona a luz infravermelha próxima para as células fotovoltaicas para geração de eletricidade.

Os resultados indicam ainda que o filme DBR de polímero multicamadas oferece o melhor equilíbrio geral. Para módulos com 50% de cobertura de células, o aumento anual na corrente de curto-circuito foi de aproximadamente 23-27%, enquanto designs com 38% de cobertura alcançaram ganhos de 34-40%. Em todos os casos, mais de 90% da PAR foi preservada, enquanto cerca de 80% da radiação infravermelha próxima foi redirecionada para geração de eletricidade. Thomas afirma que a equipe construiu um protótipo de primeira fase com cerca de metade do tamanho de uma folha A4 e confirmou o desempenho através de testes; ao filtrar cerca de 80% da luz infravermelha próxima, a tecnologia pode reduzir a temperatura da superfície das culturas em regiões semiáridas, diminuindo assim o consumo de água. A tecnologia do módulo é descrita em "Módulos agrivoltaicos de c-Si espectralmente seletivos: Avaliando uma nova abordagem" (Spectrally selective c-Si agrivoltaic modules: Evaluating a new approach), publicado na revista Applied Energy.