Verwendung von Solartechnologie zur Stromversorgung intelligenter Geräte in Innenräumen

Auf Dächern befestigte Solar- oder Photovoltaikzellen (PV) wandeln Sonnenlicht in Strom um. Die Einbringung dieser Technologie in Innenräume könnte die Energieeffizienz von Gebäuden weiter steigern und Schwaden drahtloser intelligenter Technologien wie Rauchmelder, Kameras und Temperatursensoren mit Energie versorgen.

Es wurde ein einfacher Ansatz entwickelt, um Licht in Innenräumen einzufangen. Die Forscher testeten die Innenladefähigkeit von kleinen modularen PV-Geräten aus verschiedenen Materialien und schlossen dann das Modul mit dem niedrigsten Wirkungsgrad – bestehend aus Silizium – an einen drahtlosen Temperatursensor an. Die Ergebnisse zeigen, dass das Siliziummodul, das nur das Licht einer LED absorbiert, mehr Strom liefert, als der Sensor im Betrieb verbraucht. Dies deutet darauf hin, dass das Gerät kontinuierlich laufen könnte, während die Lichter eingeschaltet bleiben, wodurch die Notwendigkeit entfällt, dass jemand den Akku manuell austauscht oder auflädt.

Die meisten Gebäude werden tagsüber von einer Mischung aus Sonne und künstlichen Lichtquellen beleuchtet. Letztere könnten in der Dämmerung weiterhin Geräte mit Energie versorgen. Licht von üblichen Innenquellen wie LEDs umfasst jedoch ein schmaleres Lichtspektrum als die breiteren Bänder, die von der Sonne emittiert werden, und einige Solarzellenmaterialien können diese Wellenlängen besser erfassen als andere.

Um genau herauszufinden, wie sich ein paar verschiedene Materialien stapeln würden, testete das Team PV-Minimodule aus Gallium-Indium-Phosphid (GaInP), Galliumarsenid (GaAs) – zwei Materialien, die auf weißes LED-Licht ausgerichtet sind – und Silizium, einem weniger effizienten aber erschwinglicheres und alltägliches 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 für die Dauer der Experimente Licht mit einer festen Intensität von 1000 Lux, vergleichbar mit der Lichtstärke in einem gut beleuchteten Raum. Bei den Silizium- und GaAs-PV-Modulen erwies sich das Durchdringen von Innenlicht als weniger effizient als Sonnenlicht, aber das GaInP-Modul schnitt unter der LED weitaus besser ab als Sonnenlicht. Sowohl die GaInP- als auch die GaAs-Module übertrafen Silizium in Innenräumen deutlich und wandelten 23,1 % bzw. 14,1 % des LED-Lichts in elektrische Energie um, verglichen mit einer Leistungsumwandlungseffizienz von 9,3 % bei Silizium.

Die Platzierungen waren die gleichen für einen Ladetest, bei dem sie die Zeit festlegten, die die Module brauchten, um eine halb aufgeladene 4,18-Volt-Batterie zu füllen, wobei Silizium mit einem Vorsprung von mehr als anderthalb Tagen auf dem letzten Platz landete. Das Team war daran interessiert zu erfahren, ob das Siliziummodul trotz seiner schlechten Leistung im Vergleich zu seinen Spitzenkonkurrenten genug Strom erzeugen kann, um ein IoT-Gerät (Internet of Things) mit geringer Nachfrage zu betreiben.

Das für das Experiment ausgewählte IoT-Gerät war ein Temperatursensor, der an das Silizium-PV-Modul angeschlossen war, das wiederum unter einer LED platziert wurde. Beim Einschalten des Sensors stellten die Forscher fest, dass er in der Lage war, Temperaturmesswerte drahtlos an einen Computer in der Nähe zu übermitteln, der nur durch das Siliziummodul mit Strom versorgt wurde. Nach zwei Stunden schalteten sie das Licht in der Blackbox aus und der Sensor lief weiter, wobei seine Batterie halb so schnell entladen war wie zum Aufladen.

Die Ergebnisse der Forscher deuten darauf hin, dass ein bereits allgegenwärtiges Material in Outdoor-PV-Modulen für Indoor-Geräte mit Batterien mit geringer Kapazität umfunktioniert werden könnte. Die Ergebnisse gelten besonders für gewerbliche Gebäude, in denen rund um die Uhr Licht brennt.