Já pensou sobre como a luz do sol é transformada em energia e reaproveitada? Para entender isso, nós precisamos saber o que é o efeito fotovoltaico.
Antes de mais nada, é essencial entender a base do funcionamento de um diodo, caso você não conheça, esse vídeo aqui explica muito bem.
O que é?
O efeito fotovoltaico, em síntese, é o aparecimento ou surgimento de tensão e ou corrente elétrica em um material devido a exposição do mesmo à luz. Ou seja, é o efeito que transforma a luz em energia elétrica. Diferente do efeito fotoelétrico, onde os elétrons são “arrancados” do material, no efeito fotovoltaico, os elétrons apenas deslocam dentro do próprio material.
Como a transformação é feita
Aspecto construtivo da placa
Praticamente toda placa solar contém 4 principais elementos responsáveis por isso, que são:
- Uma junção do tipo N (silício dopado) na parte mais superior da placa.
- Uma junção do tipo P (silício dopado) na parte mais abaixo da placa.
Representação da placa solar em corte
- “Barras” que ficam por toda superfície da placa solar e que são metais condutores. Elas estão ligadas à junção do tipo N.
- Um metal condutor que, ao contrário das barras acima, recobrem toda a parte debaixo da junção do tipo P.
Além destas 4 partes, as células e placas solares, obviamente, possuem outras partes importantes. Por exemplo, a própria estrutura exterior, um filme antirreflexo que fica na superfície, os polos para ligar a placa, junções de outros tipos de elementos sem ser o silício e entre outras partes.
Funcionamento
A partir dos 4 principais elementos, o funcionamento da placa ocorre da seguinte forma: Um fóton – Tratando a luz como partícula – incide sobre a superfície da placa e caminha até o meio das junções, onde existem vários elétrons em lacunas (elementos de silício dopado do tipo P).
O elétron, então, é arrancado quando o fóton chega até ele. E com isso ele sobe até a extremidade de cima da junção N, enquanto a lacuna vai no sentido contrário.
Claro que, apesar de eu não ter representado na imagem acima, isso não vai acontecer com todos os elétrons, ainda vão ter alguns no meio das junções.
Neste momento, se medirmos as duas pontas da placa solar, já encontraremos uma diferença de potencial, uma tensão. E caso as duas placas condutoras (as barras em cima e a placa embaixo) estiverem em contato, os elétrons vão sair da junção do tipo N, vão passar pelas “barras” e vão até as lacunas da outra junção, criando assim um fluxo ordenado de elétrons, uma corrente. E este é um processo cíclico: mais fótons vão incidir na placa e arremessar mais elétrons para cima e por aí vai…
Como foi visto, o funcionamento se assemelha ao de um diodo, então será que um LED (diodo emissor de luz) é capaz de gerar energia a partir da luz?
Para isso e para entender melhor o que foi dito, eu vou fazer dois experimentos.
Experimento 1
No primeiro experimento eu vou colocar vários LEDs em série e em paralelo. Depois vou incidir luz neles e ver se alguma tensão aparece.
“Fidget Spinner” de LED
Basicamente, eu peguei 3 lâmpadas de LED de uma potência mais baixa – Peguei só a parte dos LEDs – e liguei elas em paralelo. Observe que cada lâmpada possui vários LEDs em série. Feito isso eu medi a tensão no multímetro em uma escala de 20v.
Os LEDs não estão recebendo a luz do sol direito, então a tensão lida é baixa – 10mV. Vou apontar eles para o sol então.
A tensão subiu (aproximadamente 780mV), mas ainda assim deixa a desejar. Observação: O dia estava nublado quando fiz o experimento, mas em um dia ensolarado eu consegui medir um valor de ~3V. Apesar do valor baixo, será que pelo menos dá para alimentar alguma carga que não precise de tanta tensão? Pra isso, vou medir a corrente enquanto os LEDs estão apontados para o sol.
A escala do multímetro é de 2000μA e o valor lido foi de ~1μA. Ou seja, ignorando a tensão, não da para alimentar nem um LED com essa corrente.
Mesmo que eu tivesse feito uma ligação em série, o resultado não ficaria muito diferente, já que a ligação em paralelo garante que vai ter um fornecimento maior de corrente e a ligação em série um fornecimento maior de tensão. E mesmo em paralelo, a corrente foi extremamente baixa como foi observado.
Apesar deste experimento não ter dado valores satisfatórios, ele serviu para comprovar a teoria do efeito fotovoltaico. E é claro que uma placa solar é feita para o propósito de converter a luz em energia, então ela apresentará resultados bem melhores e estáveis. Então, vamos olhar como uma se comporta.
Experimento 2
Neste experimento eu vou fazer as medições de tensão e corrente de uma placa solar de um brinquedo e comparar com o resultado do experimento anterior.
A placa solar, mesmo sem receber a luz do sol diretamente, já apresenta uma tensão – 920mV – maior que o valor máximo que os LEDs mostraram (780mV). E caso ela seja apontada para o sol:
A tensão máxima que consegui medir foi 1,22V que é a tensão limite da placa solar. E mesmo que ela não estivesse apontada diretamente para o sol, a tensão não oscilava. Ou seja, a placa solar é mais estável. E, como anteriormente, precisamos saber o valor da corrente para ver se há a possibilidade de alimentar alguma carga.
O valor aproximado lido foi de ~78mA (escala é de 200mA). Então é possivel alimentar praticamente 4 LEDs – se não fosse pela tensão – ou, como é o caso do brinquedo, um motor CC de baixa potência.
Essa é uma placa solar de baixa potência, mas existem muitas outras. Inclusive que conseguem fornecer energia para uma casa. De qualquer forma, esse experimento foi apenas para comparar a dinâmica da placa solar com os LEDs.
Utilidade
O efeito fotovoltaico é visto principalmente nos satélites, que há bastante tempo reaproveitam a luz do sol para continuarem funcionais. E atualmente cada vez mais as pessoas estão usando placas solares para alimentar as suas residências. Além disso dá pra utilizar um painel solar para carregar seu celular, clique aqui para saber como.
Fontes: Adafruit Industries, OcaEnergia, Universidade do Porto
