Aproveitando Energia Solar Interna para Dispositivos Inteligentes

Células solares ou fotovoltaicas (FV) fixadas em telhados convertem luz solar em eletricidade. Trazer essa tecnologia para ambientes internos poderia aumentar ainda mais a eficiência energética de 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 luz interna. Pesquisadores testaram a capacidade de carregamento interno de pequenos dispositivos FV modulares feitos de diferentes materiais e então 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 luz de um LED, forneceu mais potência do que o sensor consumiu em operação. Isso sugere que o dispositivo poderia rodar continuamente enquanto as luzes permanecerem acesas, o que eliminaria a necessidade de alguém trocar ou recarregar a bateria manualmente.

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

Para descobrir exatamente como alguns materiais diferentes se comparariam, a equipe testou mini-módulos FV feitos de fosfeto de gálio e índio (GaInP), arsenieto de gálio (GaAs) — dois materiais voltados para luz LED branca — e silício, um material menos eficiente mas mais acessível e comum. Os pesquisadores colocaram os módulos de centímetros de largura sob um LED branco dentro de uma caixa preta opaca para bloquear fontes de luz externas. O LED produziu luz em intensidade fixa de 1000 lux, comparável a níveis de luz em um ambiente bem iluminado, durante a duração dos experimentos. Para os módulos FV de silício e GaAs, absorver luz interna provou ser menos eficiente que luz solar, mas o módulo GaInP performou muito melhor sob o LED que sob luz solar. Ambos os módulos GaInP e GaAs superaram significativamente o silício internamente, convertendo 23,1% e 14,1% da luz LED em potência elétrica, respectivamente, comparado com 9,3% de eficiência de conversão de potência do silício.

Os rankings foram os mesmos para um teste de carregamento no qual cronometraram quanto tempo levou para os módulos encherem uma bateria de 4,18 volts meia 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 desempenho ruim relativo aos competidores de primeira linha, poderia gerar potência suficiente para rodar um dispositivo Internet das Coisas (IoT) de baixa demanda.

O dispositivo IoT escolhido para o experimento foi um sensor de temperatura que foi conectado ao módulo FV de silício, colocado mais uma vez sob um LED. Ao ligar o sensor, os pesquisadores descobriram que ele foi capaz de alimentar leituras de temperatura sem fio para um computador próximo que era alimentado pelo módulo de silício sozinho. Após duas horas, eles desligaram a luz na caixa preta e o sensor continuou a rodar, sua bateria esgotando na metade da taxa que levou para carregar.

As descobertas dos pesquisadores sugerem que um material já ubíquo em módulos FV externos poderia 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.