Каждый раз, когда вы включаете свет дома или в офисе, вы тратите энергию. Но что, если переключение выключателя также означает выработку энергии?
Обычно мы думаем о солнечных или фотоэлектрических (PV) элементах, прикрепленных к крышам и 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 температурные 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 самым низким КПД, состоящий из кремния, к беспроводному датчику температуры.
Результаты группы, опубликованные в журнале Energy Science & Engineering , демонстрируют, что кремниевый модуль, поглощающий только свет от светодиода, выдает больше энергии, чем датчик, потребляет время работы. Этот 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 это можем — сказал Эндрю Шор, инженер-механик NIST и ведущий автор исследования.
В течение дня большинство зданий освещается как солнечным, так и искусственным светом. В сумерках искусственный свет мог бы продолжать подавать энергию на устройства. Однако свет от обычных внутренних источников, таких как светодиоды, охватывает более узкий спектр света, чем свет излучаемый солнцем, и некоторые материалы солнечных элементов лучше улавливают эти длины волн, чем другие.
Чтобы точно выяснить, как будут складываться несколько различных материалов, Шор и его коллеги протестировали фотоэлектрические мини-модули, изготовленные из фосфида галлия-индия (GaInP), арсенида галлия (GaAs) — двух материалов, ориентированных на белый светодиодный свет, — и кремния, менее эффективного зато более доступного и обыденного материала.
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 свет в помещении при освещении оказалось менее эффективным, чем солнечный свет, но модуль GaInP работал намного лучше под светодиодами, чем под солнечным светом. Модули GaInP и GaAs значительно опережают кремний в помещении, преобразовывая 23,1% и 14,1% светодиодного света в электрическую энергию , соответственно, по сравнению с эффективностью преобразования энергии кремния 9,3%.
Исследователи NIST протестировали миниатюрные солнечные модули из трех различных материалов при искусственном освещении. Модули (слева направо) были изготовлены из кремния, арсенида галлия и фосфида галлия-индия. NIST
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, работающий 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.
Результаты исследователей предполагают, что уже повсеместный материал в фотоэлектрических модулях для наружной установки может быть перепрофилирован для внутренних устройств 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 периодически 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, во-первых, установив светомеры в жилом испытательном центре NIST Net-Zero Energy, чтобы понять, какой свет доступен в течение дня в обычном 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.
Дополнительная информация: Эндрю Шор и др., Сбор световой энергии в помещении для датчиков с батарейным питанием с использованием небольших фотоэлектрических модулей, Energy Science & Engineering (2021). DOI: 10.1002 / ese3.964
Иллюстрация: Исследователь NIST Эндрю Шор держит миниатюрное высокоэффективное солнечное устройство, которое заряжает датчик, используя свет в помещении в качестве источника энергии. NIST
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК