Célula termofotovoltaica viabiliza conversão de calor em eletricidade

Redação do Site Inovação Tecnológica - 20/03/2023

Conceito da célula TFV de duas faces.
[Imagem: Alejandro Datas - 10.1021/acsphotonics.2c01839]

Calor que vira eletricidade

Pesquisadores espanhóis criaram um novo tipo de célula geradora de eletricidade que permitirá aumentar a eficiência dos processos industriais reciclando calor hoje desperdiçado e lançado na atmosfera.

Enquanto as células solares convencionais captam a parte óptica do espectro solar, a nova célula é termofotovoltaica, o que significa que ela gera eletricidade a partir do calor, a parte infravermelha do espectro.

As células termofotovoltaicas representam uma alternativa aos geradores termoelétricos, que existem há décadas, mas que ainda deixam a desejar em termos de eficiência.

A novidade está no projeto das células, que são bifaciais, tornando possível converter o calor radiante em eletricidade a temperaturas mais baixas do que os designs monofaciais já existentes - as células atuais somente são eficientes quando o calor supera os 1.200 ºC.

Isso permitirá o desenvolvimento de sistemas de recuperação de calor e armazenamento de energia mais eficientes e compactos, eventualmente podendo ser usados até mesmo em aplicações domésticas.

Célula termofotovoltaica bifacial

Um conversor termofotovoltaico convencional consiste em uma célula fotovoltaica e um espelho colocado em sua face posterior. Quando a célula é exposta à radiação incandescente, fótons com energia suficiente são absorvidos na célula e produzem eletricidade.

Mas os fótons de baixa energia (infravermelho) atravessam a célula, são refletidos pelo espelho e devolvidos ao emissor incandescente, superaquecendo-o. Essa última etapa, conhecida como reaquecimento, é fundamental para que a eficiência seja alta, pois, caso contrário, os fótons de baixa energia seriam desperdiçados.

O problema é que, quando a temperatura diminui, a energia dos fótons também diminui, e o espelho reflete mais fótons infravermelhos. Isso exigiria o uso de espelhos muito eficientes, muito mais eficientes do que os que existem atualmente - com os espelhos atuais é muito difícil atingir altas eficiências em temperaturas abaixo de 1200 ºC.

A nova célula termofotovoltaica bifacial resolve esse problema eliminando o uso de espelhos.

Em vez disso, a célula é inserida em uma cavidade incandescente para capturar a radiação em ambos os lados. Ao contrário das células convencionais, os fótons de baixa energia passam pela célula e são reabsorvidos diretamente no emissor. Além disso, como a célula é iluminada em ambos os lados, a potência gerada é o dobro da gerada por uma célula convencional.

"Esse último aspecto é fundamental, pois permite produzir o dobro da potência sem aumentar o custo do aparelho, ou seja, permite reduzir pela metade o custo da energia gerada," explicou Alejandro Datas, da Universidade Politécnica de Madri.

Comparação entre a arquitetura atual (esquerda) e a arquitetura da célula bifacial (direita).
[Imagem: Alejandro Datas - 10.1021/acsphotonics.2c01839]

Uso industrial e doméstico

Outro detalhe interessante do projeto é que a célula é resfriada pelas bordas. As simulações preveem que, desta forma, é possível manter as células a uma temperatura abaixo dos 80 ºC sem perdas significativas de eficiência.

Isto as torna ideias para recuperação de calor residual industrial ou em sistemas de armazenamento de energia térmica. As chamadas baterias termofotovoltaicas costumam armazenar calor em temperaturas acima de 1.200 ºC para que, entre outras coisas, a conversão termofotovoltaica seja eficiente.

"O uso de células termofotovoltaicas bifaciais nesses sistemas permitiria baixar a temperatura de operação, favorecendo o desenvolvimento de sistemas menores, que poderiam ser usados não apenas para armazenamento de energia em escala de rede, mas também em aplicações domésticas," propõe Datas.

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