Embora similares, o Efeito Fotoelétrico não é igual ao Efeito Fotovoltaico utilizado pelos sistemas solares para geração de energia elétrica para casas e empresas.
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Quando falamos em energia solar para geração de energia elétrica, algumas vezes é possível perceber uma confusão com termos que, embora relacionados, não fazem parte do processo, como efeito fototérmico e efeito fotoelétrico.
Até mesmo em livros de ensino é possível encontrar exemplificações sobre o efeito fotoelétrico com imagens de painéis solares fotovoltaicos.
Uma vez que ambos efeitos estão intimamente relacionados ao nosso cotidiano em aplicações de uso diário, torna-se interessante entender as suas diferenças.
Este artigo apresenta os conceitos de cada fenômeno e explica qual deles se relaciona com a geração de energia elétrica a partir de painéis fotovoltaicos.
O Efeito Fotoelétrico
O efeito fotoelétrico foi observado pela primeira vez por Heinrich Hertz, físico alemão, em 1887, embora muitos creditem esta primeira observação a Alexandre Edmond Becquerel, em 1839, quando este primeiro observou o efeito fotovoltaico.
Hertz descobriu o fenômeno por acaso enquanto estudava a natureza eletromagnética da luz, por esta razão, o efeito também é conhecido por “efeito Hertz”, embora não seja um termo de uso comum.
Ao utilizar duas placas metálicas para seu estudo, Hertz percebeu faíscas sendo emitidas delas ao contato com a luz, mas sem conseguir explicar o porquê que tal fenômeno ocorria.
O efeito intrigou a mente humana e foi pesquisado por vários cientistas, porém, somente em 1905, 18 anos depois de Hertz, é que Albert Einstein conseguiu explicar suas causas, ganhando pela sua equação o prêmio Nobel em física, em 1921.
O que é efeito fotoelétrico
De maneira simples, o efeito fotoelétrico é a emissão de um grande número de elétrons de um material, geralmente metálico, quando exposto a radiação da luz.
Para explicar o fenômeno, Einstein elaborou um novo modelo para explicar a luz com base nos estudos do físico alemão Max Planck (1900) sobre a quantização das ondas eletromagnéticas.
Einstein, então, propôs que a luz não se propaga como uma única onda pelo espaço (visão da física clássica), mas como partículas de energia eletromagnética, conhecidas hoje como fótons.
O efeito fotoelétrico, então, é a absorção de um fóton de luz por um elétron do material, que usa parte dessa energia na sua liberação e o restante resulta em energia cinética de ejeção desse elétron do material.
Os elétrons são desalojados apenas pelo impacto dos fótons quando estes atingem ou excedem uma frequência mínima, também chamada de frequência limiar.
Além disso, a energia cinética dos fotoelétrons é proporcional à frequência de emissão de fótons da luz, quanto maior a frequência, maior a energia cinética do elétrons.
Esse processo também é frequentemente referido como fotoemissão, e os elétrons que são ejetados do metal são chamados de fotoelétrons.
Aplicações do Efeito Fotoelétrico Exemplos
Embora a maioria da população desconheça, o efeito fotoelétrico está presente em nosso cotidiano através de várias aplicações.
Isso se dá através das células fotoelétricas ou fotocélulas, como a célula fotoemissiva e a célula fotocondutiva, por exemplo.
Essas células têm a capacidade de transformar energia luminosa, seja ela proveniente do Sol ou de qualquer outra fonte, em energia elétrica.
Elas ainda podem funcionar como sensor, capaz de medir a intensidade luminosa, como nos casos das portas de shoppings.
Alguns exemplos do uso dessas células e do efeito fotoelétrico são:
- Controle Remoto Infravermelho
Cada vez mais utilizados por nós em nossa era digital, os controles remotos de infravermelho, sejam de televisores, aparelhos musicais ou videogames, utilizam como base para o seu funcionamento o efeito fotoelétrico.
Para isso, eles emitem um feixe de luz de determinada frequência que aciona o dispositivo fotossensível presente nos aparelhos controlados por ele.
- Cinema
O cinema falado só foi possível através do uso de células fotoelétricas, que permite reconstituir os sons registrados nas películas do cinematógrafo, a mesma usada também na transmissão de imagens animadas (televisão).
- Visão Noturna
Equipamentos modernos de visão noturna são feitos com tubos intensificadores de imagem, que funcionam com base no efeito fotoelétrico.
- Processo Industrial
Através do emprego de aparelhos fotoelétricos foi possível construir maquinarias capazes de produzir peças sem qualquer intervenção humana e com altíssima precisão.
- Iluminação Urbana
Utilizam sensores fotoemissivos que permitem a passagem da corrente elétrica que acende a lâmpada assim que a intensidade da luz captada pela célula diminui, ou, que fecha o circuito elétrico quando a intensidade é suficiente para iluminar o ambiente.
- Portas Automáticas e Alarmes
Os sensores de presença utilizam uma combinação de célula fotocondutiva com um interruptor eletromecânico, que faz com que as portas se abram e se fechem, por exemplo, apenas com a aproximação de uma pessoa no sensor.
Efeito Fotovoltaico
O efeito fotovoltaico foi descoberto por Becquerel em 1939 na oficina de seu pai, quando ainda era muito jovem, utilizando o primeiro componente eletrônico da história e, devido à similaridade, foi confundido com o efeito fotoelétrico.
De maneira simples, o efeito fotovoltaico consiste no surgimento de uma tensão elétrica em um material semicondutor, quando este é exposto à luz visível.
Para entender perfeitamente o efeito fotovoltaico temos que ter noção básica de teoria de banda de energia, admitindo que um material possui três bandas de energia denominadas banda de valência, banda de condução e banda proibida ou “gap”.
Diferente dos metais, semicondutores têm a “banda de valência” completamente cheia e a “banda de condução” vazia, com um “gap” de 1 eV (um elétron-volt).
O surgimento da tensão elétrica ocorre quando o elétron da banda de valência recebe energia suficiente do fóton para saltar a banda proibida e passar para a banda de condução.
Para isso, a energia recebida do fóton de luz deve ser maior ou igual a energia do gap, que é a diferença entre a energia mínima da banda de condução e máxima da banda de valência
Ou seja, o elétron precisa de energia para vencer a banda proibida, caso o fóton incidente tenha energia maior que o “gap”, o excedente se transforma em calor, aquecendo o material (efeito chamado de termalização).
É comum representar o efeito fotovoltaico através de uma imagem que simbolize uma célula fotovoltaica, como esta abaixo:
Efeito Fotoelétrico X Efeito Fotovoltaico
Percebe-se, então, que embora estejam relacionados com a emissão de elétrons por meio da absorção dos fótons de luz, o efeito fotoelétrico e o efeito fotovoltaico não são o mesmo processo.
No efeito fotoelétrico, os elétrons são ejetados da superfície de um material após exposição à radiação com energia suficiente sem nenhuma direção para serem coletados.
No efeito fotovoltaico é diferente porque os elétrons ejetados se direcionam da banda de valência para serem coletados na banda de condução, resultando no surgimento da tensão elétrica.
Observa-se, ainda, que o Efeito fotovoltaico é um fenômeno totalmente interno ao material semicondutor, diferentemente do Efeito Fotoelétrico descrito por Albert Einstein em 1905.
Podemos dizer que a existência de uma frequência mínima no Efeito Fotoelétrico, abaixo da qual não ocorre o referido efeito, reside em uma de suas principais características.
Segundo grande parte da literatura, para ser caracterizado, esse fato de frequência mínima define o efeito fotoelétrico como um fenômeno externo e de arrancamento de elétrons do material.
Já o efeito fotovoltaico ocorre com a radiação na faixa da luz visível, o que o torna viável para gerar energia elétrica em painéis solares a partir da luz do Sol.
Na maioria das aplicações fotovoltaicas a radiação é a luz solar e por esta razão as células fotovoltaicas usadas são chamadas de células solares.
Esse efeito que acontece nos semicondutores, entretanto, por si só não permite o funcionamento do material com célula fotovoltaica, pois a maioria dos elétrons emitidos voltam a se recombinar.
Para entendermos como funciona a geração de energia elétrica através da fotovoltaica, precisamos conhecer primeiro como funciona uma célula fotovoltaica.
Os Sistemas Solares Fotovoltaicos
As células fotovoltaicas mais comumente usadas são feitas de silício, material semicondutor que é amplamente utilizado na indústria microeletrônica.
Elas são compostas por duas metades desse semicondutor, que é combinado com outros materiais de forma a alterar a sua estrutura eletrônica.
Assim, uma das metades se torna negativa (com sobra de elétrons) e a outra metade se torna positiva (com falta de elétrons).
Na área de contato entre as duas metades (chamada de área de junção-PN) há a formação de um campo elétrico, que impede que os elétrons em excesso do lado negativo a atravessem e cheguem até a outra metade com ‘falta de elétrons’.
Com a entrada da radiação luminosa, os elétrons das camadas externas dos átomos ganham energia suficiente, doada pelos fótons, para se libertarem da força de atração dos núcleos dos átomos e assim se tornarem elétrons livres.
Devido ao campo elétrico da Junção-PN, esses elétrons se acumulam na metade negativa e é por isso que na face das células fotovoltaicas há uma finíssima grade (feita geralmente com uma pasta de prata) que serve para capturar os elétrons livres, permitindo que se forme uma corrente elétrica.
História da Célula Solar
A primeira célula solar moderna de silício foi desenvolvida e apresentada em 1954 pelo Laboratórios Bell (Bell Labs).
Possuía apenas 2 cm² de área e uma eficiência de 6%, gerando 5 mW (miliwatt) de potência elétrica. Foi projetado para utilização com baterias, entretanto o seu alto custo inviabilizou a utilização em larga escala.
Em 1960 a indústria espacial iniciou a utilização da tecnologia fotovoltaica em suas naves aeroespaciais para permitir um maior tempo de pesquisa fora da Terra.
Através dos programas espaciais a tecnologia avançou e se estabilizou fazendo com que os custos da tecnologia caíssem, permitindo assim a expansão para outros setores.
As células solares são montadas e ligadas em série e em paralelo, formando os módulos fotovoltaicos (ou placas solares, como são popularmente conhecidas) de tensão desejada.
Por definição, um módulo fotovoltaico é um conjunto de células fotovoltaicas associadas (geralmente em série) e encapsuladas com materiais que dão robustez mecânica, permitindo a entrada de luz, auxiliando no resfriamento e permitindo a associação de vários módulos e sua fixação em uma estrutura apropriada.
A essa associação de módulos, damos o nome de painel fotovoltaico (ou painel solar) que, em conjunto com o inversor fotovoltaico e demais equipamentos compõem os sistemas fotovoltaicos para geração elétrica.
Um sistema fotovoltaico pode ser de dois tipos, dependendo da sua instalação e funcionamento: sistemas fotovoltaicos On-Grid (conectados à rede elétrica) e sistemas fotovoltaicos Off-Grid (isolados da rede elétrica).
Como Funciona Energia Solar
A grande maioria dos sistemas instalados no Brasil são do tipo On-Grid, em razão da regulamentação vigente no país que torna este tipo de sistema mais viável economicamente.
Nesses sistemas, o conjunto de módulos fotovoltaicos, geralmente fixados nos telhados, captam a luz e a convertem em energia elétrica.
Esta energia então é enviada ao inversor solar fotovoltaico, equipamento do sistema que converte esta energia para as características nas quais ela é consumida por nossos equipamentos elétricos.
Cabe ao inversor, também, realizar o gerenciamento da energia gerada pelo sistema e a energia que vem da rede elétrica da distribuidora local.
Isso acontece porque esses sistemas são conectados e funcionam em paralelo com a rede, injetando nela a energia excedente e consumindo dela nos momentos em que o sistema não consegue suprir o consumo.
Veja, na animação abaixo, o funcionamento de um sistema de energia solar fotovoltaico:
Vemos que a geração do sistema está diretamente relacionada a quantidade de luz, zerando sua produção durante a noite, porém, mesmo em dias nublados, o sistema ainda estará gerando energia ao seu dono.
Os créditos energéticos mencionados são fruto do sistema de compensação de energia elétrica criado pela Aneel (Agência Nacional de Energia Elétrica) em sua Resolução Normativa 482 de 2012.
Foi essa resolução que estabeleceu as regras do segmento de micro e minigeração distribuída, onde consumidores residenciais, comerciais, rurais e todos os outros passaram a gerar sua energia próxima ou no próprio local de consumo.
