Uso de tecnologia solar para alimentar dispositivos inteligentes em ambientes internos

Células solares ou fotovoltaicas (PV) fixadas em telhados convertem a luz solar em eletricidade. Trazer essa tecnologia para dentro de casa pode aumentar ainda mais a eficiência energética dos edifícios e energizar faixas de tecnologias inteligentes sem fio, como alarmes de fumaça, câmeras e sensores de temperatura.

Uma abordagem direta foi desenvolvida para capturar a luz em ambientes fechados. Os pesquisadores testaram a capacidade de carregamento interno de pequenos dispositivos fotovoltaicos modulares feitos de diferentes materiais e, em seguida, conectaram o módulo de menor eficiência – composto de silício – a um sensor de temperatura sem fio. Os resultados demonstram que o módulo de silício, absorvendo apenas a luz de um LED, forneceu mais potência do que o sensor consumido em operação. Isso sugere que o dispositivo poderia funcionar continuamente enquanto as luzes permanecerem acesas, o que acabaria com a necessidade de alguém trocar ou recarregar manualmente a bateria.

A maioria dos edifícios é iluminada por uma mistura de fontes de luz solar e artificial durante o dia. Ao anoitecer, este último poderia continuar a fornecer energia aos dispositivos. No entanto, a luz de fontes internas comuns, como LEDs, abrange um espectro de luz mais estreito do que as bandas mais largas emitidas pelo Sol e alguns materiais de células solares são melhores em capturar esses comprimentos de onda do que outros.

Para descobrir exatamente como alguns materiais diferentes se empilhariam, a equipe testou minimódulos fotovoltaicos feitos de fosfeto de gálio e índio (GaInP), arseneto de gálio (GaAs) – dois materiais voltados para luz LED branca – e silício, um menos eficiente, mas material mais acessível e comum. Os pesquisadores colocaram os módulos de centímetros de largura sob um LED branco alojado dentro de uma caixa preta opaca para bloquear fontes externas de luz. O LED produziu luz em uma intensidade fixa de 1000 lux, comparável aos níveis de luz em uma sala bem iluminada, durante os experimentos. Para os módulos fotovoltaicos de silício e GaAs, a imersão em luz interna mostrou-se menos eficiente do que a luz do sol, mas o módulo GaInP teve um desempenho muito melhor sob o LED do que a luz solar. Os módulos GaInP e GaAs superaram significativamente o silício em ambientes internos, convertendo 23,1% e 14,1% da luz LED em energia elétrica, respectivamente, em comparação com a eficiência de conversão de energia de 9,3% do silício.

As classificações foram as mesmas para um teste de carregamento no qual eles cronometraram quanto tempo os módulos levaram para encher uma bateria de 4,18 volts meio carregada, com o silício chegando por último por uma margem de mais de um dia e meio. A equipe estava interessada em saber se o módulo de silício, apesar de seu baixo desempenho em relação aos concorrentes de primeira linha, poderia gerar energia suficiente para executar um dispositivo de Internet das Coisas (IoT) de baixa demanda.

O dispositivo IoT escolhido para o experimento foi um sensor de temperatura que foi conectado ao módulo fotovoltaico de silício, colocado novamente sob um LED. Ao ligar o sensor, os pesquisadores descobriram que ele era capaz de alimentar as leituras de temperatura sem fio para um computador próximo que era alimentado apenas pelo módulo de silício. Depois de duas horas, eles desligaram a luz na caixa preta e o sensor continuou funcionando, sua bateria esgotando na metade da taxa que levava para carregar.

As descobertas dos pesquisadores sugerem que um material já onipresente em módulos fotovoltaicos externos pode ser reaproveitado para dispositivos internos com baterias de baixa capacidade. Os resultados são particularmente aplicáveis ​​a edifícios comerciais onde as luzes estão acesas 24 horas por dia.