Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

Fotovoltaické senzory pro IoT

Výzkumníci z MIT (Massachusetts Institute of Technology) navrhli speciální senzor pro internet věcí (IoT), který je napájen světlem z okolního prostředí a je schopen bez baterií fungovat až několik let. 

Díky rychlému rozvoji IoT roste i počet připojených zařízení včetně senzorů, které shromažďují data o infrastruktuře a životním prostředí v reálném čase. Podle odhadů MIT by koncem roku 2025 mohl celkový počet těchto zařízení na světě dosáhnout až 75 miliard. Senzory však ke svému fungování potřebují baterie, které je třeba občas vyměňovat, což při dlouhodobém monitorování může způsobovat velké problémy.

Vědci MIT proto navrhli speciální fotovoltaické senzory, které využívají světlo z okolního prostředí, a jsou tudíž schopné fungovat bez baterií. K tomu využili perovskitové články, které namontovali na štítky RFID. Uvedené články jsou schopné senzory umístěné na štítku napájet při jasném slunečním světle i při vnitřním osvětlení. Navíc poskytují dostatek energie, aby bylo možné prodloužit dosah komunikace nebo do jednoho štítku RFID integrovat několik senzorů. Tyto senzory jsou i bez baterií schopné přenášet data průběžně na vzdálenost až pětkrát větší než pasivní štítky RFID.

Realizovat podobný návrh už vědci zkoušeli, ale tehdy šlo o zmenšené verze klasických solárních článků, které jsou drahé, objemné a málo flexibilní. Naproti tomu perovskitové články jsou levné, flexibilní, průhledné a snadno se vyrábějí, protože mohou být tištěny pomocí jednoduchých rotačních (roll-to-roll) technologií. Základní myšlenkou výzkumníků MIT bylo zkombinovat levný zdroj energie s levnými štítky RFID, což jsou v podstatě samolepky bez baterií, využívané k monitorování miliard produktů po celém světě. Tyto samolepky obsahují malé antény pro pásmo 868/915 MHz a jejich cena se pohybuje mezi třemi a pěti centy.

Navrhované senzorové štítky fungují na podobném principu jako klasické štítky RFID bez baterie. Ty odesílají informace pouze tehdy, když jsou v dosahu čtečky, protože energii získávají z rádiového signálu přicházejícího ze čtečky. Problém je však v tom, že z rádiového signálu lze pro napájení transformovat jen několik mikrowattů energie, a to navíc pouze v dosahu čtečky. Pro dlouhodobé monitorování je takové řešení naprosto nepoužitelné.

Senzorové štítky čerpají energii z integrovaného perovskitového článku. Výzkumníci z MIT vložili perovskit mezi elektrodu, katodu a speciální materiály pro přenos elektronů, což jim poskytlo možnost nastavovat článek tak, aby pracoval při různých světelných podmínkách. Článek byl schopen vygenerovat napětí 4,3 V, což postačuje k napájení obvodů 1,5 V a umožňuje odesílat data na vzdálenost asi 5 m. V praxi to pak dovoluje s jednou čtečkou odečítat data z několika senzorů. Při testování byla zjištěna účinnost článků ve vnitřních interiérech v rozsahu 18,5 až 21,4 %. Zhruba 45 min nabíjení postačuje na tříhodinový provoz, takže tyto navrhované fotovotalické senzory mohou monitorovat venkovní i vnitřní prostředí po několik dní.

Funkčně byl vyzkoušen prototyp senzoru pro monitorování teploty. Nyní výzkumníci pracují na vývoji další senzorů pro monitorování vlhkosti, tlaku, vibrací a znečištění ovzduší. V závislosti na faktorech prostředí, jako jsou vlhkost a teplota, mohou senzory pro vnitřní i venkovní použití fungovat bez problémů po dobu od několika měsíců až po několik let, než degradují natolik, že je třeba je vyměnit. Zmíněné nové senzory by tak v budoucnu mohly významně pomoci např. při dlouhodobém monitorování energetické účinnosti v inteligentních budovách, při sledování přepravy nákladu či monitorování stavu půdy.

[MIT.]

(Hr)

Obr. 1. Na štítku jsou umístěny senzory, čip RFID a napájecí perovskitový fotovoltaický panel

Perovskit

Perovskit je minerál, chemickým složením CaTiO3. Pro výrobu fotovoltaických článků se však přírodní perovskit nepoužívá, protože má mnoho nectností; perovskitové fotovoltaické články využívají uměle vyrobené materiály, avšak se shodnou strukturou jako perovskit. Perovskitové články jsou tenké, lehké, průhledné, jejich výroba je levnější než výroba klasických křemíkových článků, jejich účinnost je téměř stejná a v budoucnu bude možná i vyšší. Problém je s jejich odolností proti vnějším vlivům a životností, která je zatím jen několik let. Další nevýhodou je, že jejich výroba a likvidace zatěžují životní prostředí ještě více než u křemíkových panelů. Ale jejich vývoj je teprve na začátku…