Folha fotovoltaica para produção de eletricidade, energia térmica e água

Da pv magazine Global

Pesquisadores do Imperial College London desenvolveram um novo conceito de folha fotovoltaica que é capaz de produzir eletricidade, energia térmica e água.

No estudo “Folha Fotovoltaica Híbrida Multigeração Híbrida de Alta Eficiência Bioinspirada”, publicado na Nature Communications, a equipe de pesquisa descreveu o sistema como uma folha fotovoltaica híbrida multigeração baseada em uma estrutura de transpiração biomimética feita de fibras de bambu e células de hidrogel empilhadas.

A camada de transpiração biomimética (BT) de 1 mm de espessura move a água passivamente de um tanque de água separado para uma célula solar de 10 cm × 10 cm colocada no topo da estrutura. A água que flui para a célula é capaz de reduzir sua temperatura de operação, aumentando assim sua eficiência, e o excesso de calor é utilizado para produzir água e energia térmica. A folha fotovoltaica é protegida apenas por uma camada de vidro de alta transmitância de 0,7 mm de espessura.

A estrutura utiliza feixes de fibras vasculares hidrofílicas que distribuem uniformemente a água através da folha fotovoltaica. Células de hidrogel são usadas para imitar os feixes vasculares e células esponjosas. “Na camada biomimética, cerca de 30 ramos de feixes de fibra de bambu são incorporados homogeneamente nas células de hidrogel do polímero superabsorvente (SAP) de poliacrilato de potássio (PAAK), distribuindo água por toda a área coberta pela camada BT”, explicaram os cientistas, acrescentando que as bordas dos ramos de fibra são reunidas e embebidas em água.

Os cientistas mediram o desempenho do sistema sob condições de iluminação padrão e compararam-no com uma célula fotovoltaica autônoma de referência resfriada por convecção natural de ar. Eles descobriram que a folha fotovoltaica atingiu uma temperatura de 43,2 ºC, enquanto a da célula de referência atingiu 68,8 ºC. “A temperatura do tanque de água não isolado está próxima da temperatura ambiente e tem uma ligeira influência no desempenho de resfriamento”, eles afirmaram.

A folha fotovoltaica alcançou uma eficiência de conversão de energia de 15%, uma tensão de circuito aberto de 0,63 V e um fator de preenchimento de 0,77. A célula de referência, por outro lado, alcançou uma eficiência de 13,2%, uma tensão de circuito aberto de 0,58 V e um fator de preenchimento de 0,75.

Os académicos também afirmaram que o custo de capital dos componentes adicionais exigidos pela folha fotovoltaica é de aproximadamente US$ 1,1/m2, o que representa cerca de 2% do custo dos painéis solares convencionais. O tempo de retorno dos componentes adicionais é estimado em menos de meio ano. “O conceito de folhas fotovoltaicas pode ser ampliado para coletores de maior escala, além dos quais usinas solares ainda maiores de tamanho comercial podem ser divididas em várias pequenas áreas alocadas para folhas fotovoltaicas separadas e interconectadas”, acrescentaram, referindo-se às suas possíveis aplicações em projetos reais.

“Em comparação com estudos anteriores sobre resfriamento por transpiração, a solução neste trabalho não requer bomba, unidade de controle, materiais porosos caros e é capaz de resfriar a superfície alvo a uma temperatura significativamente mais baixa, o que é adequado para aplicações de multigeração, como bem como aplicações de gestão térmica para células fotovoltaicas”, afirmou o grupo do Reino Unido, observando que o sistema também pode utilizar água do mar em vez de água doce. “Os resultados da simulação mostram que a folha PV tem melhor desempenho de transpiração em climas quentes e secos.”

Os acadêmicos também afirmam que o dispositivo pode gerar 1,1 L/h/m2 adicional de água doce sob uma irradiância solar de 1000 W/m. Eles também acreditam que o sistema também pode usar água do mar em vez de água doce. “Os resultados da simulação mostram que a folha PV tem melhor desempenho de transpiração em climas quentes e secos”, enfatizaram.