CBL - Campus del Baix Llobregat

Projecte llegit

Títol: Efficient Light Energy Harvesters for Indoor Applications

Estudiants que han llegit aquest projecte:

Director/a: REVERTER CUBARSÍ, FERRAN

Departament: EEL

Títol: Efficient Light Energy Harvesters for Indoor Applications

Data inici oferta: 18-07-2023     Data finalització oferta: 18-03-2024


Estudis d'assignació del projecte:
    MU MASTEAM 2015
Tipus: Individual
 
Lloc de realització: EETAC
 
Paraules clau:
Internet of Things, IoT, Indoor Photovoltaic, Energy Harversting, Energy.
 
Descripció del contingut i pla d'activitats:
Descripció:

Els edificis intel·ligents disposen de tot un conjunt de sensors que monitoritzen contínuament l'estat de les persones i de les seves instal·lacions, amb l'objectiu de millorar paràmetres com la seguretat, el benestar i la sostenibilitat. Per tal de dotar de més intel·ligència tals edificis, i d'aquí millorar encara més la seva sostenibilitat, es busca que aquests sensors s'auto-alimentin via un captador d'energia a partir de l'energia residual disponible en el mateix edifici. Aquesta energia es presenta, per exemple, en forma lumínica, tèrmica i electro-magnètica.

L'eficiència del captador d'energia es pot optimitzar tot fent que aquest treballi en el seu punt de màxima potència (en anglès, 'maximum power point', MPP). Donat que aquest MPP varia amb les condicions ambientals, cal un circuit que faci un seguiment del mateix; aquest circuit es coneix com a MPP 'tracker' o simplement MPPT. Ara bé, per tal de justificar la incorporació del MPPT, la mitjana del seu consum ha de ser clarament inferior a la mitjana de la potència extreta del captador d'energia, i aquesta última ja és molt baixa en aplicacions interiors. Per exemple, per una superfície de captació de 10 cm2, la potència extraïble és de l'ordre de centenars de microwatt i, per tant, la potència consumida per part del MPPT hauria de ser marcadament inferior.

Tenint present el context anterior, aquest TFM es centra en la captació d'energia lumínica com a combinació de llum artificial més llum natural indirecta. En aquestes condiciones lumíniques, es caracteritzaran cel·les fotovoltaiques, es dissenyaran circuits MPPT específics, i es procedirà amb la caracterització experimental del conjunt cel·la-MPPT en condiciones controlades de laboratori i in-situ.

Tasques principals:
1.Cerca i lectura de referències.
2.Simulació i estudi experimental de la llum a l'interior d'edificis com a combinació de la llum artificial més la llum natural indirecta.
3.Caracterització experimental, en condicions controlades de laboratori, de cel·les fotovoltaiques comercials subjectes a diferents combinacions de llum artificial-natural.
4.Disseny de circuits MPPT (per exemple, basats en la tècnica de 'Linear Open Circuit Voltage') per a les cel·les del punt anterior.
5.Caracterització del conjunt cel·la-MPPT en condicions controlades de laboratori.
6.Desplegament del conjunt cel·la-MPPT en diferents punts interiors de l'escola.
7.Extracció de conclusions.
8.Escriptura de la memòria.
 
Overview (resum en anglès):
In the era of smart buildings, sensor integration has revolutionized security, welfare, and sustainability. Building intelligence and sustainability are obtained through self-powered sensors via energy collected from residual energy available in the same building. This energy is commonly obtained through light, thermal, or electromagnetic harvesting.

The goal of ambient energy harvesting is to capture ambient energy to power Internet of Things (IoT) devices that operate on their own. This document is focused on optical energy harvesting through Indoor Photovoltaic (IPV) cells. These cells provide an eco-friendly way to capture energy within buildings.

Although the IPV power densities are around 100 to 1000 times lower than in outdoor applications, the scale of IPV cells makes them a desirable option for low-power Internet of Things devices.

There are three chapters in this thesis. The first chapter provides a characterization of commercial IPV cells under controlled laboratory conditions, subjected to different types of artificial light. The study concludes that while the a-Si cell, with around 7% efficiency and stable VMPP values, is suitable for a constant voltage method, the perovskite cell, performing better on a Fractional Open Circuit Voltage (FOCV), despite having better efficiency ranges, exhibits instability and unclear temperature behavior, making it less viable currently.

The second chapter is a study of the amount of light (artificial, natural, and a combination of artificial and natural) in different rooms oriented to different positions. The study highlights the critical importance of device placement near windows to optimize energy collection from natural light, which can be up to 4.95 times more effective than artificial light alone over a working day.

Finally, an experimental characterization in uncontrolled conditions of 4 different cells located in 2 different rooms during a period of weeks is carried out. The study concludes that monocrystalline cells exhibit superior performance in capturing solar energy, emphasizing the importance of unobstructed placement and vertical orientation for optimal power generation indoors.

© CBLTIC Campus del Baix Llobregat - UPC