Pesquisadores da Universidade de Jaén, na Espanha, deram um passo significativo na tecnologia de transmissão de energia a laser sem fio (WPLT) com o desenvolvimento de um receptor fotovoltaico de baixa concentração (LCPV). O sistema, que incorpora um concentrador parabólico composto cruzado (CCPC), foi projetado para otimizar o acoplamento óptico sob irradiação a laser estática, porém inerentemente não uniforme, um desafio comum em aplicações de WPLT.
A transmissão de energia a laser sem fio representa uma abordagem promissora para fornecer energia a distâncias consideráveis sem a necessidade de conexões físicas. Essa tecnologia é particularmente relevante para sistemas autônomos, sensores remotos e plataformas aéreas, onde soluções cabeadas ou baseadas em baterias são impraticáveis. No entanto, sua implementação prática enfrenta obstáculos como requisitos de alinhamento óptico, perdas atmosféricas, eficiência de conversão, considerações de segurança para os olhos e contra incêndios, além dos efeitos de irradiação não uniforme ou dinâmica nos receptores fotovoltaicos.
Inovação para Superar Desafios
O avanço da equipe espanhola foca em melhorar a eficiência de conversão de laser para eletricidade, desenvolver receptores com ângulos de aceitação mais amplos e maior tolerância à iluminação espacialmente variável, e integrar direcionamento adaptativo do feixe e gerenciamento de energia. Essas melhorias são cruciais para viabilizar a entrega de energia sem fio de longo alcance de forma mais confiável e eficiente.
O sistema desenvolvido e demonstrado experimentalmente é um receptor fotovoltaico de baixa concentração de 3 × 3. Ele combina interconexões de células otimizadas com a ótica CCPC para aprimorar a eficiência de conversão de energia e a tolerância angular sob iluminação a laser não uniforme. A pesquisa foi detalhada no estudo intitulado “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”, publicado na revista Optic & Laser Technology.
Detalhes Técnicos do Receptor
O receptor integra um arranjo de 3 × 3 células de silício monocristalino de 20 × 20 mm², com arquitetura de contato traseiro interdigitado (IBC). Cada célula é acoplada a um CCPC, que redireciona a radiação incidente para as células, ao mesmo tempo em que proporciona um amplo ângulo de aceitação sob iluminação estática. A geometria do CCPC foi otimizada com uma abertura de entrada 2,5 vezes maior que a área da célula, o que permitiu uma redução de 60% no material semicondutor em comparação com um receptor não concentrado equivalente.
Os concentradores foram fabricados em polimetilmetacrilato (PMMA), material escolhido por sua alta transmitância óptica, propriedades dielétricas favoráveis e facilidade de fabricação. O receptor completo possui uma abertura frontal de 104 × 104 mm², incluindo a estrutura de suporte, e uma massa medida de 123 gramas.
Metodologia e Resultados Experimentais
Os cientistas avaliaram o desempenho óptico e elétrico do sistema sob iluminação laser monocromática de 808 nm, utilizando um feixe gaussiano de 1,523 W. Medições de corrente-tensão (I–V) foram realizadas com e sem os CCPCs, enquanto medições de resposta espectral foram usadas para quantificar as perdas de absorção óptica introduzidas pelo material do concentrador.
A resposta elétrica de cada uma das nove células foi medida em diferentes potências e ângulos de incidência para avaliar o acoplamento óptico-elétrico e os efeitos da iluminação não uniforme. As perdas por incompatibilidade foram então calculadas para diferentes esquemas de interconexão em série e paralelo, comparando a potência medida do módulo com a soma ideal das saídas de potência máxima das células individuais.
As medições elétricas confirmaram que a corrente de curto-circuito foi a principal fonte de variação entre as células, variando de menos de 0,1 A nas células periféricas a cerca de 0,45 A na célula central a 5 W. Em contraste, a tensão de circuito aberto e o fator de preenchimento permaneceram relativamente estáveis, indicando que a incompatibilidade de corrente é a principal limitação no nível do módulo.
Os pesquisadores também descobriram que agrupar as células de acordo com fotocorrentes semelhantes reduziu significativamente essas perdas. A arquitetura de interconexão em anel produziu quase a mesma saída que a configuração ideal sem incompatibilidade. A 5 W, as perdas em anel permaneceram abaixo de 3%, em comparação com mais de 58% para a configuração em série e aproximadamente 6% para a configuração em paralelo.
Além disso, a configuração em anel alcançou valores de eficiência de conversão de energia próximos a 16,3% a 806 nm, em comparação com 6,9% para a série e 15,2% para a interconexão paralela. O ótimo teórico a 955 nm atingiu 18,4%.
A equipe também explicou que o receptor demonstrou uma tolerância angular relativamente boa, com a potência máxima geralmente permanecendo entre 80% e 90% de seu valor nominal a 30° de incidência. A 45°, no entanto, a fotocorrente e a potência máxima diminuíram substancialmente à medida que o deslocamento do feixe excedia a área de coleta efetiva.
“No geral, os resultados demonstram que estratégias eficazes de balanceamento de corrente e esquemas de interconexão personalizados são essenciais para alcançar recepção fotovoltaica alimentada por laser de alta eficiência em condições de irradiação realistas”, concluíram os acadêmicos. “Em particular, ao empregar dispositivos semicondutores de alta eficiência, a incorporação de elementos ópticos dedicados torna-se um requisito fundamental de design que permite uma redução substancial da área semicondutora ativa, preservando alta eficiência de conversão e tolerância angular.”
Outras Aplicações e Pesquisas
Outros pesquisadores da Universidade de Jaén desenvolveram recentemente um módulo fotovoltaico solar de silício cristalino semitransparente com concentradores ópticos na parte traseira para aplicações agrivoltaicas. Este módulo foi projetado para equilibrar alta eficiência e transparência óptica com sombreamento mínimo do painel, adequando-se a contextos agrícolas.
O que isso significa para a região
Embora a tecnologia de transmissão de energia a laser sem fio ainda esteja em fase de pesquisa e desenvolvimento, os avanços como os da Universidade de Jaén abrem portas para futuras aplicações que podem beneficiar regiões como o Norte Pioneiro do Paraná. A capacidade de fornecer energia a locais remotos ou de difícil acesso, sem a necessidade de infraestrutura cabeada, pode impulsionar o desenvolvimento de sensores agrícolas autônomos, sistemas de monitoramento ambiental e até mesmo a alimentação de drones para inspeções ou entregas. Isso poderia otimizar operações em áreas rurais e industriais, reduzindo custos de instalação e manutenção de infraestrutura elétrica tradicional. A eficiência e a tolerância a condições não uniformes são cruciais para garantir a viabilidade dessas aplicações em ambientes variados.
Leitura da LZ7 Energia
A pesquisa sobre transmissão de energia a laser sem fio, embora não diretamente ligada à geração solar convencional, representa um avanço significativo na forma como a energia pode ser entregue e utilizada. Para o setor de energia solar, essa tecnologia pode complementar as soluções existentes, permitindo que a energia gerada por painéis solares em um local seja transmitida sem fio para outro ponto de consumo, superando barreiras geográficas ou de infraestrutura. Isso pode ser particularmente útil para alimentar equipamentos em áreas isoladas, onde a extensão de redes elétricas é inviável ou muito cara. A otimização da eficiência de conversão e a tolerância a condições de iluminação variáveis são aspectos que ressoam com os desafios enfrentados pela energia solar fotovoltaica, buscando sempre maximizar a captação e o aproveitamento da luz solar, seja ela direta ou transmitida por laser. A LZ7 Energia, ao acompanhar essas inovações, busca entender como as novas fronteiras da tecnologia energética podem, no futuro, integrar-se e aprimorar as soluções de energia limpa oferecidas à região.
Fonte: PV Magazine — Solar global — matéria original publicada em pv-magazine.com. Imagens e vídeos: PV Magazine — Solar global. Texto apurado e reescrito pela redação da LZ7 Energia.