Binnenste zonne-energie benutten voor slimme apparaten

Zonne- of fotovoltaïsche (PV) cellen vastgezet op daken converteren zonlicht in elektriciteit. Het naar binnen brengen van die technologie kan de energie-efficiëntie van gebouwen verder verhogen en reusachtige hoeveelheden draadloze slimme technologieën zoals rookmelders, camera's en temperatuursensoren energiseren.

Een voor de hand liggende benadering werd ontwikkeld voor het vangen van licht binnen. Onderzoekers testten de binnenlaadcapaciteit van kleine modulaire PV-apparaten gemaakt van verschillende materialen en koppelden daarna de laagste-efficiëntie module — samengesteld uit silicium — aan een draadloze temperatuursensor. De resultaten tonen aan dat de silicium-module, die alleen licht van een LED absorbeert, meer vermogen leverde dan de sensor in bedrijf verbruikte. Dit suggereert dat het apparaat continu kan draaien zolang de lampen aan blijven, wat de noodzaak wegnemt voor iemand om de batterij handmatig uit te wisselen of op te laden.

Meeste gebouwen worden verlicht door een mix van zowel de zon als kunstmatige lichtbronnen overdag. In de schemering kan de laatste blijven energie leveren aan apparaten. Echter, licht van gangbare binnenbronnen, zoals LEDs, beslaat een smaller spectrum van licht dan de bredere banden die door de zon uitgestraald worden en sommige zonnecelmaterialen zijn beter in het vangen van deze golflengtes dan anderen.

Om precies te achterhalen hoe een paar verschillende materialen zouden presteren, testte het team PV-minimodules gemaakt van gallium-indium-fosfide (GaInP), gallium-arsenide (GaAs) — twee materialen gericht op wit LED-licht — en silicium, een minder efficiënt maar meer betaalbaar en gangbaar materiaal. De onderzoekers plaatsten de centimeters-brede modules onder een witte LED gehuisd in een ondoorzichtige zwarte doos om externe lichtbronnen te blokkeren. De LED produceerde licht met een vaste intensiteit van 1000 lux, vergelijkbaar met lichtniveaus in een goed verlichte kamer, voor de duur van de experimenten. Voor de silicium- en GaAs-PV-modules bleek binnensticht licht minder efficiënt dan zonlicht, maar de GaInP-module presteerde ver beter onder de LED dan zonlicht. Zowel de GaInP- als GaAs-modules overstegen silicium binnenstichts significant, converterend 23,1% en 14,1% van het LED-licht in elektrisch vermogen, respectievelijk, vergeleken met siliciums 9,3% vermogensconversie-efficiëntie.

De rangschikkingen waren dezelfde voor een oplaadtest waarin ze maatten hoe lang het duurde voordat de modules een half-opgeladen 4,18-volt batterij vulden, met silicium als laatste met een marge van meer dan een dag en een half. Het team was geïnteresseerd om te leren of de silicium-module, ondanks zijn slechte prestaties ten opzichte van zijn top-concurrenten, genoeg vermogen kon genereren om een laag-vraag Internet of Things (IoT) apparaat te draaien.

Het IoT-apparaat gekozen voor het experiment was een temperatuursensor die aangesloten was op de silicium-PV-module, opnieuw onder een LED geplaatst. Bij het aanzetten van de sensor, vonden de onderzoekers dat het in staat was om temperatuurmeteringen draadloos door te geven aan een nabijgelegen computer die gevoed werd door de silicium-module alleen. Na twee uur schakelden ze het licht in de zwarte doos uit en de sensor liep door, de batterij ontladen met half de snelheid die het kostte om op te laden.

De bevindingen van de onderzoekers suggereren dat een al alomtegenwoordig materiaal in buiten-PV-modules hergebruikt kan worden voor binnen-apparaten met lage-capaciteit batterijen. De resultaten zijn met name toepasbaar op commerciële gebouwen waar de lichten rond de klok aanstaan.