Innenraum-Solarenergie für smarte Geräte nutzbar machen

Solare oder photovoltaische (PV) Zellen, die auf Dächern befestigt sind, wandeln Sonnenlicht in Strom um. Das Hereinbringen dieser Technologie in Innenräume könnte die Energieeffizienz von Gebäuden weiter steigern und Bereiche drahtloser smarter Technologien wie Rauchmelder, Kameras und Temperatursensoren mit Energie versorgen.

Ein unkomplizierter Ansatz wurde für das Einfangen von Licht in Innenräumen entwickelt. Forscher testeten die Innenraum-Ladefähigkeit kleiner modularer PV-Geräte aus verschiedenen Materialien und schlossen dann das niedrigsteffiziente Modul – bestehend aus Silizium – an einen drahtlosen Temperatursensor an. Die Ergebnisse zeigen, dass das Siliziummodul, das nur Licht von einer LED absorbierte, mehr Leistung lieferte, als der Sensor im Betrieb verbrauchte. Dies deutet darauf hin, dass das Gerät kontinuierlich laufen könnte, solange die Lichter an bleiben, was die Notwendigkeit beseitigt, die Batterie manuell auszutauschen oder aufzuladen.

Die meisten Gebäude werden tagsüber von einer Mischung aus sowohl Sonnen- als auch künstlichen Lichtquellen beleuchtet. In der Dämmerung könnte letztere weiterhin Energie an Geräte liefern. Allerdings erstreckt sich Licht von gängigen Innenraumquellen wie LEDs über ein schmaleres Spektrum als die breiteren Bänder, die von der Sonne emittiert werden, und einige Solarzellenmaterialien erfassen diese Wellenlängen besser als andere.

Um genau herauszufinden, wie sich einige verschiedene Materialien schlagen würden, testete das Team PV-Mini-Module aus Gallium-Indium-Phosphid (GaInP), Galliumarsenid (GaAs) – zwei Materialien, die auf weißes LED-Licht ausgerichtet sind – und Silizium, ein weniger effizientes, aber erschwinglicheres und gängigeres Material. Die Forscher platzierten die zentimeterbreiten Module unter einer weißen LED, die in einer undurchsichtigen schwarzen Box untergebracht war, um externe Lichtquellen auszublenden. Die LED erzeugte Licht mit einer festen Intensität von 1000 Lux, vergleichbar mit Lichtverhältnissen in einem gut beleuchteten Raum, für die Dauer der Experimente. Für die Silizium- und GaAs-PV-Module erwies sich das Aufnehmen von Innenraumlicht als weniger effizient als Sonnenlicht, aber das GaInP-Modul performte unter der LED weit besser als unter Sonnenlicht. Sowohl die GaInP- als auch die GaAs-Module übertrafen Silizium in Innenräumen deutlich, indem sie 23,1 % bzw. 14,1 % des LED-Lichts in elektrische Leistung umwandelten, verglichen mit Siliziums 9,3 % Leistungswandlungseffizienz.

Die Rangfolge war dieselbe für einen Ladetest, in dem sie zeiteten, wie lange es dauerte, bis die Module einen halbgeladenen 4,18-Volt-Akku füllten, wobei Silizium mit einem Abstand von mehr als eineinhalb Tagen zuletzt kam. Das Team war daran interessiert zu erfahren, ob das Siliziummodul, trotz seiner schlechten Performance im Vergleich zu seinen Spitzenkonkurrenten, genug Leistung erzeugen könnte, um ein Low-Demand Internet-of-Things (IoT) Gerät zu betreiben.

Das für das Experiment gewählte IoT-Gerät war ein Temperatursensor, der an das Silizium-PV-Modul angeschlossen wurde, erneut unter einer LED platziert. Beim Einschalten des Sensors stellten die Forscher fest, dass er in der Lage war, Temperaturwerte drahtlos an einen nahegelegenen Computer zu senden, der allein vom Siliziummodul betrieben wurde. Nach zwei Stunden schalteten sie das Licht in der schwarzen Box aus, und der Sensor lief weiter, seine Batterie entleerte sich mit halber Rate im Vergleich zur Ladezeit.

Die Ergebnisse der Forscher deuten darauf hin, dass ein bereits allgegenwärtiges Material in Outdoor-PV-Modulen für Indoor-Geräte mit niedrigkapazitiven Batterien umgenutzt werden könnte. Die Ergebnisse sind besonders anwendbar auf Gewerbegebäude, in denen die Lichter rund um die Uhr an sind.