Aprovechando la energía solar interior para dispositivos inteligentes

Las celdas solares o fotovoltaicas (FV) fijadas en techos convierten la luz solar en electricidad. Llevar esa tecnología al interior podría aumentar aún más la eficiencia energética de los edificios y energizar franjas de tecnologías inteligentes inalámbricas como alarmas de humo, cámaras y sensores de temperatura.

Se desarrolló un enfoque sencillo para capturar luz en interiores. Los investigadores probaron la capacidad de carga interior de pequeños dispositivos FV modulares hechos de diferentes materiales y luego conectaron el módulo de menor eficiencia —compuesto de silicio— a un sensor de temperatura inalámbrico. Los resultados demuestran que el módulo de silicio, absorbiendo solo luz de un LED, suministró más potencia de la que el sensor consumió en operación. Esto sugiere que el dispositivo podría funcionar continuamente mientras las luces permanezcan encendidas, lo que eliminaría la necesidad de que alguien cambie o recargue la batería manualmente.

La mayoría de los edificios están iluminados por una mezcla tanto del Sol como de fuentes de luz artificial durante el día. Al anochecer, estas últimas podrían continuar suministrando energía a los dispositivos. Sin embargo, la luz de fuentes interiores comunes, como LEDs, abarca un espectro más estrecho que las bandas más anchas emitidas por el Sol y algunos materiales de celdas solares son mejores capturando estas longitudes de onda que otros.

Para averiguar exactamente cómo se compararían algunos materiales diferentes, el equipo probó mini-módulos FV hechos de fosfuro de galio indio (GaInP), arseniuro de galio (GaAs) —dos materiales orientados a luz LED blanca— y silicio, un material menos eficiente pero más asequible y común. Los investigadores colocaron los módulos de centímetros de ancho debajo de un LED blanco dentro de una caja negra opaca para bloquear fuentes de luz externas. El LED produjo luz a una intensidad fija de 1000 lux, comparable a niveles de luz en una habitación bien iluminada, durante la duración de los experimentos. Para los módulos FV de silicio y GaAs, absorber luz interior resultó menos eficiente que la luz solar pero el módulo GaInP funcionó mucho mejor bajo el LED que bajo la luz solar. Tanto los módulos GaInP como GaAs superaron significativamente al silicio en interiores, convirtiendo 23.1% y 14.1% de la luz LED en potencia eléctrica, respectivamente, comparado con el 9.3% de eficiencia de conversión de potencia del silicio.

Los rankings fueron los mismos para una prueba de carga en la que cronometraron cuánto tardaron los módulos en llenar una batería de 4.18 voltios a medio cargar, con el silicio llegando último por un margen de más de día y medio. El equipo estaba interesado en saber si el módulo de silicio, a pesar de su pobre rendimiento relativo a sus competidores de alta gama, podría generar suficiente potencia para hacer funcionar un dispositivo IoT de baja demanda.

El dispositivo IoT elegido para el experimento fue un sensor de temperatura conectado al módulo FV de silicio, colocado nuevamente bajo un LED. Al encender el sensor, los investigadores encontraron que podía alimentar lecturas de temperatura inalámbricamente a una computadora cercana alimentada solo por el módulo de silicio. Después de dos horas, apagaron la luz en la caja negra y el sensor continuó funcionando, su batería agotándose a la mitad de la tasa que tomó cargar.

Los hallazgos de los investigadores sugieren que un material ya ubicuo en módulos FV exteriores podría reutilizarse para dispositivos interiores con baterías de baja capacidad. Los resultados son particularmente aplicables a edificios comerciales donde las luces están encendidas las 24 horas.