Universidade de Jaén, na Espanha, desenvolve receptor fotovoltaico para transmissão de energia sem fio por laser com eficiência de quase 16,3%

De acordo com pt.wedoany.com-Pesquisadores da Universidade de Jaén, na Espanha, desenvolveram um receptor fotovoltaico de concentração baixa (LCPV) para transmissão de energia sem fio por laser (WLPT). O receptor integra um concentrador parabólico composto cruzado (CCPC) com um esquema de interconexão otimizado, alcançando uma eficiência de conversão de potência de quase 16,3% sob iluminação laser não uniforme e comprimento de onda de 806 nm.

A transmissão de energia sem fio por laser pode fornecer eletricidade a sistemas autônomos, sensores remotos e plataformas aéreas sem conexão física, mas sua aplicação é limitada por condições como alinhamento óptico, perdas atmosféricas, eficiência de conversão, segurança ocular e prevenção de incêndios. O impacto da irradiação não uniforme ou dinâmica nos receptores fotovoltaicos também é um fator limitante importante.

Para melhorar a eficiência de conversão e a tolerância angular sob iluminação laser não uniforme, a equipe desenvolveu e caracterizou experimentalmente um receptor LCPV em configuração 3×3. O receptor é composto por 9 células de silício monocristalino de 20×20 mm², com arquitetura de contato traseiro interdigitado (IBC), cada uma acoplada a um CCPC. A abertura de incidência do CCPC é 2,5 vezes a área da célula, reduzindo o uso de material semicondutor em 60% em comparação com um receptor equivalente sem concentração; o concentrador é fabricado em polimetilmetacrilato (PMMA), e a abertura frontal total do receptor é de 104×104 mm² (incluindo a estrutura de suporte), com massa de 123 gramas.

Os experimentos foram realizados sob iluminação laser monocromática de 808 nm, utilizando um feixe gaussiano com potência de 1,523 W. A equipe realizou medições de corrente-tensão (I-V) com e sem CCPC, e quantificou as perdas de absorção óptica causadas pelo material do concentrador por meio de medições de resposta espectral; simultaneamente, registrou a resposta elétrica das nove células sob diferentes potências e ângulos de incidência, calculou as perdas por incompatibilidade em vários esquemas de interconexão em série e paralelo, e comparou a potência medida do módulo com a soma ideal das potências máximas de cada célula.

Os resultados mostram que a corrente de curto-circuito é a principal fonte de diferenças entre as células: sob potência de 5 W, a corrente de curto-circuito das células periféricas é inferior a 0,1 A, enquanto a célula central é de aproximadamente 0,45 A. A tensão de circuito aberto e o fator de preenchimento são relativamente estáveis, indicando que a incompatibilidade de corrente é o principal fator limitante no nível do módulo.

Agrupar as células com base na fotocorrente pode reduzir significativamente as perdas. A arquitetura de interconexão anular apresenta saída próxima da configuração ideal sem incompatibilidade: as perdas permanecem abaixo de 3% a 5 W, enquanto a configuração em série excede 58% e a configuração em paralelo é de aproximadamente 6%. No comprimento de onda de 806 nm, a eficiência de conversão de potência da configuração anular é de quase 16,3%, a interconexão em série é de 6,9% e a configuração em paralelo é de 15,2%; o valor teórico ótimo no comprimento de onda de 955 nm atinge 18,4%.

O receptor também apresenta alta tolerância angular: a potência máxima permanece entre 80% e 90% do valor nominal em ângulo de incidência de 30°; quando o deslocamento do feixe excede a área efetiva de recepção, a fotocorrente e a potência máxima diminuem significativamente em ângulo de incidência de 45°.

As direções de pesquisa futuras incluem melhorar a eficiência de conversão de laser para eletricidade, desenvolver receptores com ângulo de aceitação mais amplo e maior tolerância à iluminação espacialmente variável, bem como integrar sistemas adaptativos de direcionamento de feixe e gerenciamento de energia, para promover uma transmissão de energia de longa distância mais confiável e eficiente da WLPT em cenários onde soluções tradicionais com fio ou baterias são difíceis de aplicar.

A equipe concluiu que estratégias eficazes de equalização de corrente e esquemas de interconexão adaptados são essenciais para alcançar receptores fotovoltaicos de alta eficiência alimentados por laser sob condições reais de irradiação; ao utilizar dispositivos semicondutores de alta eficiência, a incorporação de elementos ópticos específicos torna-se um requisito fundamental de projeto, permitindo reduzir significativamente a área efetiva do semicondutor enquanto se mantém alta eficiência de conversão e tolerância angular.

Os resultados foram publicados na revista Optics & Laser Technology sob o título "Development and experimental characterization of a c-Si low concentrator photovoltaic receiver for wireless laser power transmission (WLPT) under non-uniform irradiance of 808 nm".

Outros pesquisadores da Universidade de Jaén também desenvolveram recentemente um módulo fotovoltaico de silício cristalino semitransparente com concentrador óptico na parte traseira, para aplicações agrivoltaicas. O design visa equilibrar alta eficiência e transparência óptica, além de reduzir a sombra do painel para atender às necessidades de cenários agrícolas.