Solar + bateria em um dispositivo define novo padrão de eficiência

A queda nos preços das baterias está permitindo a integração das baterias com sistemas renováveis ??em dois contextos. Em um deles, a bateria serve como um reservatório de energia de curto prazo para suavizar as flutuações de curto prazo na produção de energia renovável. No outro, a bateria mantém a energia quando a produção de energia renovável para, como a energia solar faz à noite. Isso funciona muito bem para uso fora da rede, mas adiciona algumas complicações na forma de hardware adicional para converter tensões e correntes.

Mas, na verdade, existe uma opção adicional, que combina hardware fotovoltaico e de bateria em um único dispositivo unificado que pode ter ampla capacidade de armazenamento. A principal desvantagem? Os dispositivos foram instáveis ??ou têm uma eficiência terrível. Mas uma equipe internacional de pesquisadores reuniu um dispositivo estável e com eficiência competitiva em relação aos painéis de silício.

Como você integra células fotovoltaicas e baterias? Na sua forma mais simples, você cria um dos eletrodos que extraem energia do sistema fotovoltaico para o eletrodo de uma bateria. Que soa como um grande "bem, duh!" Mas a integração não é tão simples assim. Afinal, os eletrodos da bateria precisam ser compatíveis com a química da bateria – para baterias de íon-lítio, por exemplo, os eletrodos acabam armazenando os íons e precisam ter uma estrutura que permita isso.

Então, os pesquisadores usaram um tipo completamente diferente de química. As baterias de fluxo usam soluções de dois produtos químicos que podem sofrer reações de troca de carga, deslocando-os entre dois estados químicos. A bateria empresta basicamente essas cargas para produzir corrente ao descarregar, ou bombeia as cargas de volta para mudar os produtos químicos para seu estado alternativo, carregando assim a bateria. As baterias de fluxo têm a vantagem de que sua capacidade total de armazenamento depende simplesmente do volume total de solução que você usa.

Embora existam muitas químicas capazes de trabalhar com uma bateria de fluxo, os pesquisadores começaram com seu sistema fotovoltaico e o usaram para escolher a química da bateria.

Mesmo aqui, eles não usavam exatamente o hardware de prateleira. Havia silício envolvido, mas fazia parte de uma célula solar de duas camadas. Nesta configuração, um material fotovoltaico absorve um conjunto de comprimentos de onda que não são absorvidos por um segundo; a primeira camada, ao contrário, é transparente aos comprimentos de onda absorvidos pela segunda. Isso permite que uma única célula absorva uma faixa muito maior de comprimentos de onda do que seria possível de outra maneira, aumentando sua eficiência geral.

Para o dispositivo deles, a camada inferior era de silício. Além disso, há uma camada de material fotovoltaico perovskita. Os perovskitas são um material solar potencial de última geração, útil porque são feitos de ingredientes baratos e podem ser criados simplesmente por evaporação de uma solução do perovskita. Infelizmente, esses produtos químicos também têm propensão à decomposição, o que reduziu a vida útil em muitas configurações experimentais. Os pesquisadores aqui não tentam resolver todos esses problemas; eles simplesmente usam uma instalação fotovoltaica de perovskita sobre silício e não tentam executá-la por tempo suficiente para que a deterioração química seja um problema.

O conceito principal dos pesquisadores era começar com esse material fotovoltaico e combinar a química da bateria às suas propriedades. As células fotovoltaicas têm uma voltagem, com base no intervalo de banda (a diferença de voltagem entre os estados isolante e condutor de seus elétrons) dos materiais de que são feitos. As baterias também têm um potencial medido em volts, com base na diferença de energia entre os dois estados químicos que os alimentam. Combine essas tensões, argumentaram os pesquisadores, e você obteria um sistema muito mais eficiente.

Assim, usando dados em seu hardware fotovoltaico, eles foram capazes de identificar uma química de bateria de fluxo com um potencial que correspondia à sua tensão. (A química real envolve reações entre duas moléculas orgânicas diferentes, bis- (trimetilamônio) propil viologeno e 4-trimetilamônio-TEMPO. Desde que eu tenho certeza que você iria perguntar.) As reações que levam esses produtos químicos entre os dois estados são rápidas suficiente para que ocorram na ausência de catalisadores, o que simplifica o uso de eletrodos.

O que é importante, dado que outro problema com as baterias de fluxo é que seus produtos químicos também tendem a reagir com muitos materiais fotovoltaicos, o que reduziria bastante a vida útil desses dispositivos. Assim, os pesquisadores cobriram o silício com uma fina camada de ouro, que era ao mesmo tempo condutora e inerte. Obviamente, um metal inerte mais barato seria preferido se este fosse para uma produção generalizada.

O hardware resultante pode operar em qualquer um dos três modos: fornecer energia como célula solar, usar luz solar para carregar como bateria ou fornecer energia como bateria.

Registros anteriores de uma bateria de fluxo solar mostram as vantagens e desvantagens desses dispositivos. Os pesquisadores usaram uma medida de eficiência denominada eficiência de energia solar para saída, ou SOEE. Os dispositivos de fluxo solar mais eficientes atingiram 14,1%, mas tiveram uma vida útil curta devido a reações entre a bateria e os materiais fotovoltaicos. Os mais estáveis, com expectativa de vida superior a 200 horas, possuíam apenas empresas estatais na área de 5 a 6%.

O novo material possuía um SOEE na área de 21% – quase o mesmo que as células solares já existentes no mercado, e não muito longe da eficiência do hardware fotovoltaico do dispositivo. E seu desempenho foi estável por mais de 400 ciclos de carga / descarga, o que significa pelo menos 500 horas. Embora eles possam eventualmente se deteriorar, não havia indicação disso acontecendo ao longo do tempo em que foram testados. Ambos são melhorias muito, muito significativas.

Obviamente, considerando que as baterias e as células fotovoltaicas podem potencialmente durar décadas, 500 horas não devem ser vistas como um teste definitivo – especialmente para um dispositivo proposto para permitir a produção elétrica fora da rede. Mas a demonstração de que a correspondência de tensão fornece um aumento de eficiência tão grande deve permitir que os pesquisadores identifiquem uma ampla gama de produtos químicos para baterias e fotovoltaicas que tenham maior eficiência. Feito isso, os pesquisadores serão capazes de pesquisar entre as configurações estáveis. Se tudo isso é compatível com baixo custo e produção em massa será a questão crítica. Mas, nesta fase da revolução das energias renováveis, ter mais opções para explorar só pode ser uma coisa boa.

Fonte: Ars Technica