Pokud se řekne fotovoltaika, obvykle tím myslíme velké solární či fotovoltaické články přeměňující sluneční světlo na elektřinu, které jsou umístěné na střechách budov. Američtí vědci ale nyní přišli s objevem, který umožní zavést tuto technologii i do interiérů domů. To by mohlo dále zvýšit energetickou účinnost budov a podpořit rozvoj bezdrátových chytrých technologií, jako jsou například protipožární alarmy, bezpečnostní kamery nebo teplotní či jiné senzory, obecně zařízení spadající do tzv. internetu věcí (IoT).
Studie amerického Národního institutu pro standardy a technologie (NIST) publikovaná v časopise Energy Science & Engineering naznačuje, že možnost zachycovat světlo v interiéru a rovnou na místě je přetvářet v elektrickou energii je již na dosah. Vědci k testům použili speciální moduly pohlcující pouze světlo z LED zdrojů. Ty pak dokázaly dodávat senzorickým zařízením více energie, než tyto senzory při svém provozu spotřebovaly. Výsledek pokusů tak ukázal, že by takováto zařízení mohla při dostatečném osvětlení daného prostoru běžet nepřetržitě a bez obsluhy, nebylo by tedy nutné ručně měnit nebo dobíjet baterie.
„My v našem oboru jsme předpokládali, že pomocí fotovoltaických modulů je možné různá zařízení IoT napájet dlouhodobě, ale dosud jsme k tomu neměli data, která by tento předpoklad podporovala. Toto je tedy první krok k tomu, abychom mohli říct, že tato zařízení je možné vypojit z běžné elektrické sítě,“ uvedl Andrew Shore, strojní inženýr NIST a hlavní autor zmíněné studie.
Najít správné materiály
Většina budov je během dne osvětlena kombinací slunečních a umělých světelných zdrojů. V brzké době by však i po setmění mohl druhý ze zdrojů dodávat některým zařízením energii i nadále. Jsou zde však jisté fyzikální komplikace. Světlo z běžných interiérových zdrojů, jako jsou například LED diody, totiž pokrývá užší spektrum světla, než je tomu v případě slunečního záření, a některé materiály obsažené v solárních článcích také tyto vlnové délky zachycují lépe a jiné hůře. Aby tedy zjistili, jaké materiály použít a jak přesně je mezi sebou pospojovat, testovali Shore a jeho kolegové fotovoltaické miniaturní moduly vyrobené z fosfidu galia a india (GaInP), arzenidu galia (GaAs) – dvou materiálů velmi vhodných k zachytávání bílého LED světla – a křemíku, který je sice v tomto ohledu méně účinný, ale je to dostupnější materiál.
Vědci umístili několik centimetrů široké moduly pod bílou LED diodua celou tuto sestavu pak vložili do „černé skříňky“, která eliminovala jakékoli působení vnějších zdrojů světla. LED dioda po dobu experimentů produkovala světlo s konstantní intenzitou 1000 luxů, což je hodnota odpovídající úrovní světla v dobře osvětlených místnostech. U fotovoltaických modulů obsahujících křemík a arzenid galia se nasvícení umělým světlem ukázalo jako méně účinné než sluneční světlem, ale účinnost modulu obsahujícího fosfid galia a india byla pod LED osvětlením mnohem vyšší než v případě slunečního záření. Oba materiály – tedy fosfid galia a india a arzenid galia – pak v interiérovém srovnání výrazně předstihly efektivitu křemíku. Jejich účinnost transformovat LED záření na elektrickou energii bylo 23,1 % v případě fosfidu a 14,1% v případě arzenidu, efektivita převodu byla v případě křemíku pouhých 9,3 %.
Nový zdroj pro internet věcí
Vědce následně již příliš nepřekvapilo, že výsledky byly obdobné i v případě nabíjecího testu, kdy měřili, jak dlouho trvá modulům nabít již z poloviny nabitou 4,18voltovou baterii. Křemík se ukázal být opět nejhorším materiálem, když v nabití baterie zaostal o více než den a půl.
Vědeckým tým ale zajímalo i to, zda by křemíkový modul, navzdory jeho špatným výsledkům v testech, dokázal vyrábět dostatek energie pro provoz IoT zařízení, které většinou mají velmi nízkou spotřebu elektřiny.
Zařízením, které si vybrali pro svůj další experiment, bylo tepelné čidlo. To připojili ke křemíkovému fotovoltaickému modulu, který byl znovu osvícen LED diodou. Po zapnutí senzoru vědci zjistili, že je schopen pouze s napájením ze silikonového modulu bez problémů přenášet údaje o teplotě do blízkého počítače. Po dvou hodinách v černé skříňce světlo zhasli a senzor pokračoval v chodu, přičemž jeho baterie se v porovnání s nabíjením vybíjela poloviční rychlostí.
„I s méně efektivním miniaturním modulem jsme zjistili, že stále dokážeme dodat více energie, než bezdrátový senzor spotřebuje,“ komentoval výsledky Shore.
Zjištění vědců naznačují, že křemík, který se již běžně používá ve venkovních fotovoltaických modulech, by se mohl dobře uplatnit jako zdroj i v případě některých energeticky méně náročných interiérových zařízení. Takovéto moduly by se mohly uplatnit zvláště ve velkých kancelářských nebo průmyslových objektech, kde jsou světla většinou zapnutá nepřetržitě.
Tým vědců z NIST však plánuje pokračovat v experimentech, aby zjistil, jaké jsou možnosti využití takovýchto panelů v interiérových prostorech s proměnlivým osvětlením, tedy například bytových domech. Počítačovým modelováním hodlá prověřit, kolik fotovoltaických modulů by bylo potřeba k tomu, aby v interiéru při určité úrovni světla vyprodukovalo požadované množství elektřiny. Tyto simulace budou rozhodující pro následné diskuze o tom, zda a jak dalece nákladově efektivní implementace této nové technologie bude.
