El Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), ubicado en Maryland (EE.UU.), ha desarrollado un estudio que sugiere un enfoque sencillo para capturar la luz en interiores con el fin de alimentar los dispositivos IoT, como sensores, cámaras, alarmas de humo, etc. En este proyecto, los investigadores probaron la capacidad de carga de pequeños dispositivos fotovoltaicos modulares hechos de diferentes materiales y comprobaron la efectividad del módulo de menor eficiencia, compuesto de silicio, conectado a un sensor de temperatura inalámbrico.
Uno de los inconvenientes que se encontraron fue que la luz artificial tipo LED abarca un espectro de luz más estrecho que las bandas más amplias emitidas por el sol, y algunos materiales de células solares capturan mejor estas longitudes de onda que otras.
Los investigadores optaron por probar los minimódulos fotovoltaicos hechos de fosfuro de galio indio (GaInP), arseniuro de galio (GaAs), dos materiales orientados a la luz LED blanca, y silicio, un método menos eficiente, pero un material más asequible y común.
En la prueba se colocaron los módulos debajo de un LED blanco, alojado dentro de una caja negra opaca para bloquear las fuentes de luz externas. El LED produjo luz a una intensidad fija de 1.000 lux, comparable a los niveles de luz en una habitación bien iluminada, durante la duración de los experimentos.
Los módulos fotovoltaicos de silicio y GaAs fueron menos eficientes que con la luz del sol, pero el módulo GaInP ofreció mejores resultados bajo el LED que con la luz solar. Tanto los módulos GaInP como GaAs superaron significativamente al silicio en interiores, convirtiendo el 23,1% y el 14,1% de la luz LED en energía eléctrica, respectivamente, en comparación con la eficiencia de conversión de energía del 9,3% del silicio.
Los investigadores también realizaron una prueba de carga en la que calcularon el tiempo que tardan los módulos en llenar una batería de 4,18 V. En último lugar quedó el silicio, que tardó más de un día y medio.
Rendimiento del módulo de silicio
En el segundo experimento, se utilizó un sensor de temperatura IoT que se conectó al módulo fotovoltaico de silicio, colocado debajo de un LED en una caja negra. Al encender el sensor, los investigadores descubrieron que el sensor de temperatura podía transmitir lecturas de forma inalámbrica a un ordenador cercano, alimentado solo por el módulo de silicio.
Los resultados, publicados en la revista Energy Science & Engineering, demuestran que el módulo de silicio, que absorbe solo la luz de un LED, suministra más energía que la que consume el sensor en funcionamiento. De esta forma, un dispositivo podría continuamente funcionar mientras las luces permanecen encendidas, eliminando la necesidad de que alguien cambie o recargue manualmente la batería. Después de dos horas, apagaron la luz en la caja negra y el sensor continuó funcionando, pero su batería se agotó en la mitad de tiempo que tardó en cargarse.
Aplicación residencial
Para conocer la efectividad de los módulos en una vivienda, el equipo de NIST instalará dispositivos de medición de luz en una instalación de prueba residencial Net-Zero Energy propiedad del instituto, para comprender qué luz está disponible durante todo el día en una residencia promedio.
Posteriormente, replicarán las condiciones de iluminación de la casa neta cero en el laboratorio para descubrir cómo funcionan los dispositivos IoT con energía fotovoltaica en un escenario residencial.
Los datos se introducirán en modelos informáticos que ayudarán a predecir cuánta energía producirían los módulos fotovoltaicos en interiores dado un cierto nivel de luz, una capacidad clave para la implementación rentable de la tecnología.