A medida que aumenta el interés en los dispositivos de Internet de las Cosas (IoT) y la integración de sensores inalámbricos, los esfuerzos de investigación se han centrado en encontrar formas para que estos sensores autocosechen energía del entorno en el que están instalados. 

Las células fotovoltaicas (PV) o minimódulos son una opción intuitiva para captar esta luz ambiental interior, incluso en condiciones de poca luz, y utilizarla para cargar y alimentar la batería de estos dispositivos en oficinas y hogares. 

En un nuevo estudio realizado por científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de los EE.UU (NIST) sugieren un enfoque sencillo para capturar esta luz de interiores. Los investigadores del NIST probaron la capacidad de carga en interiores de los pequeños dispositivos fotovoltaicos modulares hechos de diferentes materiales y luego conectaron el módulo de menor eficiencia, compuesto de silicio, a un sensor de temperatura inalámbrico.

En particular se utilizaron tres tecnologías fotovoltaicas diferentes, silicio monocristalino (c-Si), galio-indio-fósforo (GaInP) y galio-arseniuro (GaAs), bajo una iluminación interior LED de 3000K a una iluminancia de 1000 lx.

Los resultados, recientemente presentados en el paper publicado en Energy Science & Engineering, demuestran que el módulo de silicio, absorbiendo solo la luz de un LED, suministraba más energía que la que consumía el sensor en funcionamiento. Este resultado sugiere que el dispositivo podría funcionar continuamente mientras las luces permanecen encendidas, lo que eliminaría la necesidad de que alguien cambie o recargue manualmente la batería.

“La gente ha asumido que es posible alimentar dispositivos de IoT con módulos fotovoltaicos a largo plazo, pero realmente no hemos visto los datos para apoyar eso antes de ahora, por lo que este es un primer paso para decir que podemos lograrlo”, explica Andrew Shore, ingeniero mecánico del NIST y autor principal del estudio.

Diferentes materiales para una fotovoltaica de interior

La mayoría de los edificios están iluminados por una mezcla de fuentes de sol y luz artificial durante el día. Al anochecer, este último podría seguir suministrando energía a los dispositivos. Sin embargo, la luz de fuentes interiores comunes, como los LED, abarca un espectro de luz más estrecho que las bandas más anchas emitidas por el sol, y algunos materiales de células solares son mejores para capturar estas longitudes de onda que otros.

Para averiguar exactamente cómo se comportarían diferentes materiales, Shore y sus colegas probaron mini-módulos fotovoltaicos hechos de fosfuro de indio de galio (GaInP), arseniuro de galio (GaAs) – dos materiales orientados a la luz LED blanca – y silicio, un material menos eficiente pero más asequible y común.

Los investigadores colocaron los módulos de un centímetro de ancho 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 1000 lux, comparable a los niveles de luz de una habitación bien iluminada, durante la duración de los experimentos. 

En el caso de los módulos fotovoltaicos de silicio y GaAs, la inmersión en la luz interior resultó menos eficaz que la luz solar, pero el módulo de GaInP funcionó mucho mejor bajo el LED que bajo la luz solar. Tanto el módulo de GaInP como el de GaAs superaron significativamente al de silicio en interiores, convirtiendo el 23,1% y el 14,1% de la luz del LED en energía eléctrica, respectivamente, en comparación con la eficiencia de conversión de energía del silicio del 9,3%. 

Los mismos resultados se obtuvieron para una prueba de carga en la que midieron el tiempo que tardaban los módulos en llenar una batería de 4,18 voltios medio cargada, y el silicio quedó en último lugar con un margen de más de un día y medio.

Utilización del silicio para la carga de dispositivos IoT de baja capacidad 

A pesar del escaso rendimiento del Silicio, los investigadores estaban interesados en saber si podían generar suficiente energía para hacer funcionar un dispositivo IoT de baja capacidad. 

El dispositivo IoT elegido para el siguiente experimento fue un sensor de temperatura que conectaron al módulo fotovoltaico de silicio, colocado una vez más bajo un LED. Al encender el sensor, los investigadores comprobaron que era capaz de transmitir las lecturas de temperatura de forma inalámbrica a un ordenador cercano, alimentado únicamente por el módulo de silicio. Al cabo de dos horas, apagaron la luz de la caja negra y el sensor siguió funcionando, agotando su batería a la mitad de lo que tardaba en cargarse. 

“Incluso con un minimódulo menos eficiente, descubrimos que podíamos suministrar más energía de la que consumía el sensor inalámbrico”, afirma Shore. 

Los resultados de los investigadores sugieren que un material ya omnipresente en los módulos fotovoltaicos de exterior podría reutilizarse para dispositivos de interior con baterías de baja capacidad. Los resultados son especialmente aplicables a los edificios comerciales en los que las luces están encendidas las 24 horas del día. Pero, ¿hasta qué punto podrían funcionar los dispositivos fotovoltaicos en espacios que sólo están iluminados de forma intermitente a lo largo del día o que se apagan por la noche? ¿Y en qué medida influiría la luz ambiental procedente del exterior? Al fin y al cabo, los hogares y las oficinas no son cajas negras.

El equipo tiene previsto abordar ambas cuestiones, en primer lugar, instalando dispositivos de medición de la luz en la instalaciones que dispone el NIST sobre Edificios de Energía Neta Cero, para conocer la cantidad de luz disponible a lo largo del día en una vivienda media. A continuación, reproducirán en el laboratorio las condiciones de iluminación de la casa de energía neta cero para averiguar cómo funcionan los dispositivos IoT alimentados por energía fotovoltaica en un escenario residencial. 

La introducción de sus datos en modelos informáticos también será importante para predecir la cantidad de energía que producirían los módulos fotovoltaicos en interiores con un determinado nivel de luz, una capacidad clave para la implementación rentable de la tecnología. 

“Estamos encendiendo las luces todo el tiempo y, a medida que avanzamos hacia la digitalización de los edificios comerciales y los hogares, la energía fotovoltaica podría ser una forma de recoger parte de la energía lumínica desperdiciada y mejorar nuestra eficiencia energética”, concluye Shore.  

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