14 de fevereiro de 2020



SEM CATEGORIA, TECNOLOGIA

Sensores fotovoltaicos para a ‘Internet das Coisas’

Até 2025, os especialistas estimam que o número de dispositivos da Internet das Coisas – incluindo sensores que coletam dados em tempo real sobre infraestrutura e meio ambiente – pode subir para 75 bilhões em todo o mundo. No entanto, esses sensores requerem baterias que precisam ser substituídas com frequência, o que pode ser problemático para o monitoramento a longo prazo.

Os pesquisadores do MIT projetaram sensores movidos a energia fotovoltaica que poderiam transmitir dados por anos antes que precisassem ser substituídos. Para isso, montaram células de perovskita de película fina – conhecidas por seu baixo custo potencial, flexibilidade e relativa facilidade de fabricação – como coletores de energia em etiquetas de identificação por radiofrequência (RFID) de baixo custo.

As células poderiam alimentar os sensores tanto sob luz solar intensa quanto em ambientes internos mais escuros. Além disso, a equipe descobriu que a energia solar realmente dá aos sensores um grande aumento de energia que permite maiores distâncias de transmissão de dados e a capacidade de integrar vários sensores em uma única etiqueta RFID.

“No futuro, poderá haver bilhões de sensores ao nosso redor. Com essa escala, você precisará de muitas baterias para recarregar constantemente. Mas e se você pudesse alimentá-las usando a luz ambiente? Você pode implantá-los e esquecê-los por meses ou anos de cada vez “, diz Sai Nithin Kantareddy, Ph.D. aluno no laboratório de identificação automática do MIT. “Este trabalho está basicamente construindo etiquetas RFID aprimoradas usando coletores de energia para uma variedade de aplicações”.

Em um par de artigos publicados nos periódicos Advanced Functional Materials e IEEE Sensors , os pesquisadores do MIT Auto-ID Laboratory e do MIT Photovoltaics Research Laboratory descrevem o uso dos sensores para monitorar continuamente as temperaturas interna e externa por vários dias. Os sensores transmitiam dados continuamente a distâncias cinco vezes maiores que as etiquetas RFID tradicionais – sem a necessidade de pilhas. Maiores intervalos de transmissão de dados significam, entre outras coisas, que um leitor pode ser usado para coletar dados de vários sensores simultaneamente.

Dependendo de certos fatores em seu ambiente, como umidade e calor, os sensores podem ficar dentro ou fora por meses ou, potencialmente, anos seguidos antes de se degradarem o suficiente para exigir a substituição. Isso pode ser valioso para qualquer aplicação que exija detecção de longo prazo, em ambientes internos e externos, incluindo rastreamento de cargas nas cadeias de suprimentos, monitoramento do solo e monitoramento da energia usada por equipamentos em prédios e residências.

Juntando-se a Kantareddy nos papéis estão: Departamento de Engenharia Mecânica (MechE), Ian Matthews, pesquisador Shijing Sun, estudante de engenharia química Mariya Layurova, pesquisador Janak Thapa, pesquisador Ian Marius Peters e professor de tecnologia da Geórgia Juan-Pablo Correa-Baena, todos os membros do laboratório de pesquisa fotovoltaica; Rahul Bhattacharyya, pesquisador do AutoID Lab; Tonio Buonassisi, professor do MechE; e Sanjay E. Sarma, Fred Fort Flowers e Daniel Fort Flowers, professor de Engenharia Mecânica.

Combinando duas tecnologias de baixo custo

Em recentes tentativas de criar sensores auto-alimentados, outros pesquisadores usaram células solares como fontes de energia para dispositivos da Internet das Coisas (IoT). Mas essas são basicamente versões reduzidas das células solares tradicionais – não a perovskita. As células tradicionais podem ser eficientes, duradouras e poderosas sob certas condições “, mas são realmente inviáveis ​​para onipresentes sensores IoT”, diz Kantareddy.

As células solares tradicionais, por exemplo, são volumosas e caras de fabricar, além de serem inflexíveis e não podem ser transparentes, o que pode ser útil para sensores de monitoramento de temperatura colocados nas janelas e nos pára-brisas dos carros. Eles também são realmente projetados apenas para coletar energia com eficiência da luz solar poderosa, e não de pouca luz interna.

As células de perovskita, por outro lado, podem ser impressas usando técnicas fáceis de fabricação de rolo a rolo por alguns centavos cada; tornado fino, flexível e transparente; e sintonizados para captar energia de qualquer tipo de iluminação interna e externa.

A ideia, então, era combinar uma fonte de energia de baixo custo com etiquetas RFID de baixo custo, que são adesivos sem bateria usados ​​para monitorar bilhões de produtos em todo o mundo. Os adesivos são equipados com pequenas antenas de frequência ultra-alta que custam entre três e cinco centavos de dólar.

As etiquetas RFID contam com uma técnica de comunicação chamada “retroespalhamento”, que transmite dados refletindo sinais sem fio modulados da etiqueta e de volta ao leitor. Um dispositivo sem fio chamado leitor – basicamente semelhante a um roteador Wi-Fi – faz o ping da tag, que liga e retransmite um sinal exclusivo contendo informações sobre o produto ao qual está preso.

Tradicionalmente, as tags colhem um pouco da energia de radiofrequência enviada pelo leitor para ligar um pequeno chip dentro que armazena dados e usa a energia restante para modular o sinal de retorno. Mas isso equivale a apenas alguns microwatts de energia, o que limita seu alcance de comunicação a menos de um metro.

O sensor dos pesquisadores consiste em uma etiqueta RFID construída sobre um substrato plástico. Diretamente conectado a um circuito integrado na etiqueta está uma matriz de células solares de perovskita. Como nos sistemas tradicionais, um leitor varre a sala e cada tag responde. Mas, em vez de usar energia do leitor, ele extrai energia colhida da célula de perovskita para energizar seu circuito e enviar dados retrodifundindo os sinais de RF.

Eficiência em escala

As principais inovações estão nas células personalizadas. Eles são fabricados em camadas, com material de perovskita imprensado entre um eletrodo, cátodo e materiais especiais da camada de transporte de elétrons. Isso alcançou cerca de 10% de eficiência, o que é bastante alto para células de perovskita ainda experimentais. Essa estrutura de camadas também permitiu que os pesquisadores ajustassem cada célula para o seu “bandgap” ideal, que é uma propriedade de movimento de elétrons que determina o desempenho de uma célula em diferentes condições de iluminação. Eles então combinaram as células em módulos de quatro células.

No artigo Advanced Functional Materials, os módulos geravam 4,3 volts de eletricidade sob uma iluminação solar, que é uma medida padrão para quanta tensão as células solares produzem sob a luz solar. Isso é suficiente para ligar um circuito – cerca de 1,5 volts – e enviar dados em torno de 5 metros a cada poucos segundos. Os módulos tiveram desempenhos semelhantes na iluminação interna. O documento IEEE Sensors demonstrou principalmente células de perovskita de banda larga para aplicações internas que atingiram entre 18,5% e 21,4% de eficiência sob iluminação fluorescente interna, dependendo da quantidade de voltagem gerada. Essencialmente, cerca de 45 minutos de qualquer fonte de luz alimentam os sensores em ambientes internos e externos por cerca de três horas.

O circuito RFID foi prototipado para monitorar apenas a temperatura. Em seguida, os pesquisadores pretendem ampliar e adicionar mais sensores de monitoramento ambiental à mistura, como umidade, pressão, vibração e poluição. Implantados em escala, os sensores podem ajudar especialmente na coleta de dados a longo prazo em ambientes fechados para ajudar a criar, digamos, algoritmos que ajudam a tornar os edifícios inteligentes mais eficientes em termos de energia.

“Os materiais de perovskita que usamos têm um potencial incrível como eficientes coletores de luz para ambientes internos. Nosso próximo passo é integrar essas mesmas tecnologias usando métodos eletrônicos impressos, possibilitando a fabricação de sensores sem fio com custo extremamente baixo “, diz Mathews.