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未来或可用室内光为物联网设备充电

1198    2021-09-10    发布者:中国测试杂志社    来源:NIST 翻译:中国测试新闻中心

美国国家标准与技术研究院(NIST) 公布了一项新的研究,使在室内直接捕捉光变得轻松容易。NIST 研究人员测试了由不同材料制成的小型模块光伏设备的室内充电能力,然后将效率最低的模块(由硅组成)连接到无线温度传感器上。该团队发表在《能源科学与工程》杂志上的论文表明,硅模块仅靠吸收LED 的光,提供的能量比传感器在运行中消耗的能量还多。这一结果表明该设备可以在灯亮的情况下连续运行,无需人工更换电池或充电。

该研究的主要作者,NIST机械工程师Andrew Shore说:“人们希望在未来可以利用光伏模块为物联网设备供电,但我们之前还没有看到支持这一点的有效数据,所以这是我们可以做的第一步。”

图片来源:NIST

NIST研究员Andrew Shore拿着一个微型高效太阳能装置,它利用室内光线作为能源为传感器充电。

在白天,大多数建筑都是用太阳和人工光源混合照明。入夜时,后者可以继续为设备提供能源。然而,普通室内光源(例如LED)发出的光谱比太阳发出的宽波段的光谱要窄,一些太阳能电池材料比其他材料更善于捕捉这些波长。

为了弄清楚几种不同材料是如何堆叠起来的,Shore和他的同事测试了由磷化镓铟(GaInP)、砷化镓(GaAs)(两种用于白光LED的材料)和硅(一种效率较低但更便宜和普通的材料)制成的PV微型模块。研究人员将这些几厘米宽的模块放置在一个白色LED下面,LED被安置在一个不透明的黑盒子里,以阻挡外部光源。在实验期间,LED产生的光强度固定在1000 lx,与一个光线充足房间里的亮度水平相当。对于硅和砷化镓光伏组件来说,在室内光中的转化效率低于阳光,但磷化镓铟组件在LED下的表现要比阳光下好得多。在室内,磷化镓铟和砷化镓模块都显著超过了硅模块,分别将23.1%和14.1%的LED光能转换成电能,而硅模块的功率转换效率为9.3%。

图片来源:NIST

NIST的研究人员在人造光下测试了由三种不同材料制成的微型太阳能模块。这些模块从左到右依次由硅、砷化镓和磷化镓铟组成。

对于研究人员来说,这个结果并不令人意外。在充电测试中,他们记录了模块充满50%电量的4.18 V电池所需的时间,硅电池以超过一天半的差距排在最后。Shore表示,尽管硅模块的性能相对于其最优竞争对手来说很差,但他们有兴趣继续研究它是否能产生足够的电力来运行低电耗的物联网设备。

他们在下一个实验中选择的物联网设备是一个温度传感器,将其连接到硅光伏模块上,再次放置在LED下。打开传感器后,研究人员发现它在仅由硅模块供电的情况下,可以将温度读数无线传输到附近的计算机上。2 h后,他们关掉黑匣子里的灯,传感器继续运行,电池电量消耗为充电速度的一半。“即使是效率较低的微型模块,我们发现它仍然可以为无线传感器提供足够的电力,”Shore说。

研究人员的发现表明,一种已经广泛应用于户外光伏组件的材料,可以重新用于室内低容量电池设备。这一成果尤其适用于全天候亮着灯的商业建筑。但是,光伏发电设备在白天间歇性开启或在晚上关闭的空间中运行得如何呢?外界光线会有多大的影响?毕竟家庭和办公场所不是实验室中完美环境的黑匣子。

Shore说,他们正在计划解决这两个问题:首先,在NIST的净零能耗住宅测试设施中设置光测量设备,以了解在普通住宅中全天可用的光。然后,他们将在实验室中复制净零房屋的照明条件,以研究光伏供电的物联网设备在住宅场景中的表现。将实验数据输入计算机模型,对于预测在给定光照水平下,光伏组件在室内能产生多少电力也很重要,这是实现该技术成本效益的关键能力。

Shore说:“我们一直都在开着灯,随着我们更多地转向智能化的商业建筑和家庭,光伏发电可能是一种收集浪费光能和提高能源效率的方法。”



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