Обычно мы думаем о солнечных или фотоэлектрических (PV) элементах, прикрепленных к крышам, преобразующих солнечный свет в электричество, но внедрение этой технологии в помещении может еще больше повысить энергоэффективность зданий и активизировать ряд беспроводных интеллектуальных технологий, таких как дымовые извещатели, камеры и температура. датчики, также называемые устройствами Интернета вещей (IoT). Теперь, исследование Национального института стандартов и технологий (NIST) показывает, что простой подход к улавливанию света в помещении может быть в пределах досягаемости. Исследователи NIST протестировали возможность зарядки в помещении небольших модульных фотоэлектрических устройств, изготовленных из различных материалов, а затем подключили модуль с наименьшей эффективностью, состоящий из кремния, к беспроводному датчику температуры.
Результаты команды, опубликованные в журнале Energy Science & Engineering, демонстрируют, что кремниевый модуль, поглощающий только свет от светодиода, обеспечивает большую мощность, чем датчик, потребляемый во время работы. Такой результат предполагает, что устройство может работать непрерывно, пока свет остается включенным, что избавит от необходимости вручную заменять или перезаряжать аккумулятор.
«Люди в этой области предположили, что в долгосрочной перспективе можно использовать фотоэлектрические модули для устройств IoT, но до сих пор мы не видели данных, подтверждающих это, так что это своего рода первый шаг, чтобы сказать, что мы можем – сказал Эндрю Шор, инженер-механик NIST и ведущий автор исследования.
Большинство зданий освещено как солнечными лучами, так и искусственными источниками света в течение дня.
В сумерках последний мог продолжать подавать энергию на устройства. Однако свет от обычных внутренних источников, таких как светодиоды, охватывает более узкий спектр света, чем более широкие полосы, излучаемые солнцем, и некоторые материалы солнечных элементов лучше улавливают эти длины волн, чем другие.
Чтобы выяснить, как именно будут складываться несколько разных материалов, Шор и его коллеги протестировали фотоэлектрические мини-модули, изготовленные из фосфида галлия-индия (GaInP), арсенида галлия (GaAs) – двух материалов, ориентированных на использование белого светодиодного света – и кремния. менее эффективный, но более доступный и обычный материал.
Исследователи поместили модули шириной в сантиметр под белый светодиод, расположенный внутри непрозрачного черного ящика, чтобы блокировать внешние источники света.
Светодиод давал свет с фиксированной интенсивностью 1000 люкс, сравнимой с уровнем освещенности в хорошо освещенной комнате, на протяжении экспериментов. Для кремниевых и GaAs фотоэлектрических модулей замачивание в помещении при освещении оказалось менее эффективным, чем солнечный свет, но модуль GaInP работал намного лучше под светодиодами, чем при солнечном свете.
Модули GaInP и GaAs значительно превзошли кремний в помещении, преобразовав 23.1% и 14.1% светодиодного света превращается в электрическую мощность, соответственно, по сравнению с 9% кремния.КПД преобразования мощности 3%.
Неудивительно, что для исследователей рейтинг был одинаковым для теста зарядки, в котором они рассчитали, сколько времени потребовалось модулям, чтобы заполнить наполовину заряженный 4.18-вольтовый аккумулятор, кремний приходит последним с запасом более полутора суток.
По словам Шора, команда была заинтересована в том, чтобы узнать, сможет ли кремниевый модуль, несмотря на его низкую производительность по сравнению с его первоклассными конкурентами, генерировать достаточно энергии для работы с малопотребляемым устройством IoT.
В качестве устройства IoT для следующего эксперимента они выбрали датчик температуры, который они подключили к кремниевому фотоэлектрическому модулю и снова поместили под светодиод.
После включения датчика исследователи обнаружили, что он может передавать показания температуры по беспроводной сети на компьютер поблизости, питаемый только от кремниевого модуля. Через два часа они выключили свет в черном ящике, и датчик продолжал работать, его батарея разряжалась вдвое быстрее, чем требовалось для зарядки.
«Даже с менее эффективным мини-модулем мы обнаружили, что можем обеспечить больше энергии, чем потребляет беспроводной датчик», – сказал Шор.
Выводы исследователей предполагают, что уже повсеместный материал в фотоэлектрических модулях для наружной установки может быть перепрофилирован для использования внутри помещений с батареями малой емкости. Результаты особенно применимы к коммерческим зданиям, где свет включен круглосуточно.
Но насколько хорошо фотоэлектрические устройства будут работать в помещениях, которые освещаются только с перерывами в течение дня или отключаются ночью?? И насколько важным будет окружающий свет, льющийся извне? В конце концов, дома и офисы – это не черные ящики.
По словам Шора, команда планирует решить оба вопроса, сначала установив светомеры в испытательном центре Net-Zero Energy Residential NIST, чтобы понять, какой свет доступен в течение дня в обычном жилом доме. Затем они воспроизведут условия освещения дома с нулевым показателем в лаборатории, чтобы выяснить, как устройства IoT с питанием от солнечных батарей работают в жилых помещениях.
Ввод их данных в компьютерные модели также будет важен для прогнозирования того, сколько мощности фотоэлектрические модули будут производить в помещении при определенном уровне освещения, что является ключевой возможностью для рентабельного внедрения технологии.
«Мы все время включаем свет, и по мере того, как мы все больше приближаемся к компьютеризованным коммерческим зданиям и домам, фотоэлектрические системы могут быть способом собрать часть потраченной впустую световой энергии и повысить нашу энергоэффективность», – сказал Шор.