Использование помещаемой солнечной энергии для умных устройств

Солнечные или фотовольтаические (ФВ) элементы, закрепленные на крышах, конвертируют солнечный свет в электричество. Приведение этой технологии в помещения может еще больше повысить энергоэффективность зданий и питание обширных беспроводных умных технологий, таких как датчики дыма, камеры и датчики температуры.

Был разработан прямолинейный подход для захвата света в помещениях. Исследователи протестировали способность внутрикомнатной зарядки маленьких модульных ФВ устройств, сделанных из разных материалов, а затем подключили модуль с наименьшей эффективностью — состоящий из кремния — к беспроводному датчику температуры. Результаты показывают, что кремниевый модуль, поглощающий только свет от СД, поставлял больше мощности, чем датчик потреблял в работе. Это предполагает, что устройство может работать непрерыво, пока свет включен, что устранит необходимость для кого-то вручную менять или заряжать батарею.

Большинство зданий освещены смесью солнца и искусственных источников света днем. На закате последние могут продолжать поставлять энергию устройствам. Однако свет от обычных внутренних источников, таких как СД, охватывает более узкий спектр света, чем более широкие полосы, испускаемые Солнцем, и некоторые материалы солнечных элементов лучше захватывают эти длины волн, чем другие.

Чтобы точно узнать, как несколько разных материалов сравниваются, команда тестировала мини-модули ФВ из фосфида галлия-индия (GaInP), арсенида галлия (GaAs) — двух материалов, ориентированных на белый свет СД — и кремния, менее эффективного, но более доступного и обычного материала. Исследователи поместили сантиметровые модули под белый СД, помещенный внутри непрозрачного черного ящика для блокировки внешних источников света. СД производил свет фиксированной интенсивности 1000 люкс, сравнимый с уровнями света в хорошо освещенной комнате, на протяжении экспериментов. Для кремниевых и GaAs ФВ модулей поглощение внутреннего света оказалось менее эффективным, чем солнечного света, но модуль GaInP выполнялся гораздо лучше под СД, чем под солнечным светом. И GaInP, и GaAs модули значительно опередили кремний в помещениях, конвертируя 23,1% и 14,1% света СД в электрическую мощность соответственно, по сравнению с 9,3% эффективностью конвертации мощности кремния.

Рейтинги были теми же для теста зарядки, в котором они измеряли время, необходимое модулям для заполнения наполовину заряженного 4,18-вольтового аккумулятора, при этом кремний пришел последним с запасом более чем в полтора дня. Команда была заинтересована узнать, может ли кремниевый модуль, несмотря на его плохую производительность относительно топовых конкурентов, генерировать достаточно мощности для запуска низкопотребляющего IoT устройства.

IoT устройство, выбранное для эксперимента, было датчиком температуры, подключенным к кремниевому ФВ модулю, помещенному снова под СД. При включении датчика исследователи обнаружили, что он мог передавать показания температуры беспроводно к ближайшему компьютеру, питание которого обеспечивалось только кремниевым модулем. Через два часа они выключили свет в черном ящике и датчик продолжил работать, его батарея разряжалась в половину скорости, что потребовалось для зарядки.

Результаты исследователей предполагают, что уже повсеместный материал в наружных ФВ модулях может быть переосмыслен для внутренних устройств с батареями низкой емкости. Результаты особенно применимы к коммерческим зданиям, где свет включен круглосуточно.