Consideraciones de diseño para la recolección de energía fotovoltaica en dispositivos portátiles

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 18143 (2022) Citar este artículo

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Detalles de métricas

La tecnología portátil está emergiendo como una solución para varias aplicaciones biomecánicas y de métricas de salud. La energía solar fotovoltaica es una fuente de energía suplementaria viable que puede reducir los requisitos de tamaño de la batería en los dispositivos portátiles. Este estudio describe las consideraciones para un dispositivo de manga portátil y su sistema convertidor de energía asociado que utiliza paneles fotovoltaicos flexibles disponibles comercialmente ubicados en el antebrazo. La investigación de los efectos de la curvatura muestra que, si bien la curvatura del panel alrededor del antebrazo reduce la potencia de salida, el ángulo relativo a la fuente de luz tiene un efecto más pronunciado tanto en la potencia de salida como en las características del voltaje. Entre varias disposiciones de paneles en el antebrazo, con cinco paneles individuales de menor ancho proporcionó la potencia de salida más alta después de la etapa de potencia del convertidor elevador. Probando en varias posiciones estáticas, la funda fotovoltaica proporcionó hasta 94 mW en exteriores, lo que puede reducir efectivamente el tamaño de la batería y mantener la seguridad del usuario.

Las innovaciones en detección, computación y fabricación han llevado las capacidades de los dispositivos portátiles más allá del monitoreo biométrico (p. ej., frecuencia cardíaca1, conteo de pasos2,3) para interrogar métricas biomecánicas y de salud más complejas (p. ej., clasificación de actividades4, monitoreo ergonómico, reconocimiento de gestos5 ). A medida que la supervisión y el análisis de las señales fisiológicas y los movimientos corporales se vuelvan más sofisticados, también lo harán las demandas de computación y potencia. Suministrar suficiente energía a tales dispositivos, sin requerir baterías grandes o ciclos de recarga frecuentes, es un desafío que probablemente crecerá en importancia a medida que los dispositivos portátiles se vuelvan más ubicuos. Un enfoque prometedor para ampliar la potencia disponible es complementar la capacidad de la batería con energía extraída del usuario, sus movimientos o el entorno.

Muchas fuentes de energía potenciales están disponibles para recolectar en contextos portátiles6,7,8,9,10, incluidos los movimientos solares, del cuerpo, las ondas de radio y los gradientes térmicos entre la piel y el aire ambiental. Cada una de estas fuentes de energía tiene ventajas e inconvenientes según el contexto o los contextos de uso. Los movimientos corporales se pueden recopilar utilizando generadores piezoeléctricos11, electromagnéticos12 o triboeléctricos13, pero requieren movimiento mecánico (p. ej., vibraciones al caminar) y, por lo tanto, un usuario físicamente activo. Se estima que la densidad de potencia de la energía recolectada del movimiento humano es de alrededor de 4 \(\mu\)Wcm\(^{-2}\)14. Los gradientes térmicos entre la piel y el aire circundante se pueden recolectar utilizando generadores termoeléctricos, con una salida de potencia típica del orden de 10 \(\mu\)Wcm\(^{-2}\)15. Sin embargo, la salida disminuye con gradientes térmicos más pequeños entre la piel y la temperatura ambiente, como en una habitación cálida o si el usuario tiene baja temperatura de la piel o mala circulación. Los recolectores electromagnéticos ambientales pueden extraer energía de radiofrecuencia, pero la potencia extraída depende de la distancia de las fuentes de radiofrecuencia16, con una densidad de potencia6 del orden de 1 \(\mu\)Wcm\(^{-2}\) . Por el contrario, la potencia que pueden suministrar las células fotovoltaicas (PV) es independiente de la actividad del usuario, con densidades de potencia informadas de 10-100 \(\mu\)Wcm\(^{-2}\) bajo luz ambiental interior y 100 mWcm \(^{-2}\) bajo la luz solar directa al aire libre6. Debido a su producción de energía relativamente grande, en este trabajo nos centraremos en la producción de energía de las células fotovoltaicas.

Varios estudios de usuarios17,18 han demostrado que los usuarios priorizan el factor de forma, la funcionalidad y la duración de la batería al seleccionar dispositivos portátiles. Por lo tanto, la integración exitosa de la recolección de energía solar en las prendas requiere una combinación de flexibilidad, alto rendimiento y eficiencia. Además, dado que estas prendas pueden fabricarse a gran escala de procesamiento, los procesos que generan paneles disponibles en el mercado son de gran consideración para los dispositivos portátiles durante los próximos cinco años. Los tipos de células fotovoltaicas que se muestran prometedores para aplicaciones portátiles incluyen células fotovoltaicas basadas en textiles19,20,21 y células fotovoltaicas de superficie plana. En general, las células fotovoltaicas basadas en fibra22,23,24,25 utilizan materiales fibrosos (por ejemplo, hebras metálicas, ópticas o conductoras) que se tejen en estructuras más grandes22. Las células fotovoltaicas basadas en fibra ofrecen dos ventajas: 1) la forma texturizada de las células fibrosas puede conducir a una mayor absorción de la luz dispersa; y los fotovoltaicos basados ​​en fibra tienen propiedades más cercanas (pero no exactas26) a los textiles que los paneles fabricados con un sustrato plano continuo. El trabajo reciente en otra plataforma basada en fibra27, "hilos electrónicos solares", preserva las propiedades mecánicas de los textiles mientras mantiene la eficiencia por la que se conocen las células fotovoltaicas de silicio cristalino (c-Si), al encapsular células solares en miniatura dentro del hilo. Un tercer enfoque en células fotovoltaicas basadas en textiles utiliza telas recubiertas por aspersión21 para formar la capa de recolección de energía.

A diferencia de las células fotovoltaicas basadas en fibra, las células fotovoltaicas flexibles de superficie plana28 son células solares inorgánicas, orgánicas o híbridas que se fabrican sobre sustratos mecánicamente compatibles. Los avances recientes en la fabricación escalable han hecho que las células fotovoltaicas de película delgada basadas en silicio sean flexibles y estén disponibles comercialmente29. Si bien estos paneles son muy flexibles y se pueden coser a máquina sobre la tela30, carecen de la apariencia o las propiedades mecánicas de los textiles. La viabilidad de estas células se ha demostrado en una variedad de aplicaciones portátiles31,32,33. Si bien el trabajo reciente y en curso en el desarrollo de celdas fotovoltaicas basadas en fibra ofrece una promesa significativa para futuras aplicaciones en dispositivos portátiles, los desafíos actuales para generar suficiente energía y el desarrollo adicional requerido para que estén disponibles comercialmente sugieren que las aplicaciones a corto plazo deberían investigar dispositivos portátiles diseñados con células solares flexibles de superficie plana.

Trabajos anteriores han demostrado prendas completas con células fotovoltaicas, incluida una chaqueta34 y una muñequera35. Las celdas fotovoltaicas en las prendas tienen algunos desafíos de diseño críticos. Un desafío es predecir los efectos de la deformación y el sombreado propio de las poses del cuerpo en la salida del panel. Un estudio anterior36 abordó los efectos de la flexión en la salida del panel de silicio amorfo (a-Si) y descubrió que los paneles doblados producían menos energía y tenían un voltaje de punto de máxima potencia (MPP) más alto. Sin embargo, la traducción de estos hallazgos a contextos portátiles y poses corporales es menos clara. Un segundo desafío es optimizar el tamaño, la orientación y la disposición de los paneles fotovoltaicos para maximizar la producción de energía dentro del tamaño de la prenda. El desafío final es estimar la energía producida y convertida a partir de PV portátiles en posiciones corporales realistas. Anteriormente se exploró37 alguna capacidad de energía recolectada realista de paneles fotovoltaicos flexibles durante un período, pero sin abordar las posiciones corporales realistas.

En este trabajo, discutimos las opciones de diseño de paneles, convertidores de energía y prendas que son fundamentales para la conversión de energía eficiente en contextos de dispositivos portátiles. También caracterizamos las salidas de potencia de paneles a-Si flexibles y disponibles comercialmente en las condiciones de carga esperadas en dispositivos portátiles. Finalmente, medimos la energía generada por un prototipo de prenda fotovoltaica para estimar el potencial de los paneles fotovoltaicos flexibles para complementar la capacidad de la batería en aplicaciones portátiles.

La selección del tipo de panel fotovoltaico presenta dos características importantes: la eficiencia en la conversión de la intensidad de la luz en energía eléctrica y la flexibilidad mecánica y durabilidad del panel. Los materiales fotovoltaicos flexibles de película delgada comunes incluyen seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS), telururo de cadmio (CdTe) y silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H). Las eficiencias informadas del panel de lámina de polímero flexible dependen de la selección del material, ya que CIGS puede alcanzar el 20,4 %, CdTe puede alcanzar el 13,8 % y a-Si:H puede alcanzar el 7,1 %38. Los paneles de Si amorfo se han demostrado previamente en contextos como el control continuo de la glucosa en sangre a partir del sudor33. Su estructura amorfa también ayuda a reducir el daño (y la consiguiente reducción de la potencia) durante la flexión38. En este trabajo, analizamos las consideraciones de diseño relacionadas con las células fotovoltaicas a-Si:H (en lo sucesivo, simplemente a-Si) montadas en plástico flexible.

La interfaz entre el panel fotovoltaico y el dispositivo portátil es otra elección de diseño importante. Las celdas fotovoltaicas están conectadas para formar un panel y las conexiones eléctricas dentro del panel (es decir, serie, paralelo o una red en serie-paralelo) afectan directamente las características de salida del panel. Las cargas dentro del dispositivo portátil (p. ej., sensores, microcontrolador, batería, pantallas) se pueden conectar directamente a un panel cuando la clasificación de voltaje de la carga está dentro del rango de voltaje de salida del panel. Sin embargo, debido a que las características de la carga (es decir, la impedancia) no están optimizadas para la transferencia de energía, es posible que el panel fotovoltaico no funcione en el punto que le permita maximizar la potencia de salida. Para suministrar cargas con la mayor potencia posible, se utiliza un convertidor para controlar el voltaje de funcionamiento del panel fotovoltaico y aumentar o disminuir el voltaje para satisfacer las demandas de la carga. Por lo general, se elige una fuente de alimentación de modo conmutado, como un convertidor reductor o elevador, debido a su alta eficiencia de conversión y su sencilla implementación.

Para obtener la máxima transferencia de potencia y eficiencia, el convertidor de potencia debe regular el voltaje de la fuente FV en el MPP (es decir, el voltaje al que se maximiza la potencia de salida). Hay varios algoritmos de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) que rastrean el MPP y se pueden implementar directamente en las topologías estándar de convertidores CC-CC39. Uno de los algoritmos más utilizados en aplicaciones fotovoltaicas es el algoritmo de perturbación y observación (P & O), que escalona activamente el punto de operación (perturbación) y mide el cambio de potencia resultante (observación) para moverse continuamente hacia el MPP. De esta forma, rastrea continuamente el máximo de la curva de potencia fotovoltaica y puede implementarse en un microcontrolador de bajo costo. En comparación con otros algoritmos como la conductancia incremental, el control de correlación de ondulación o las técnicas basadas en inteligencia, P & O no requiere calibración, no es computacionalmente intensivo y el circuito es económico de implementar40, por lo que logra un equilibrio entre la maximización de potencia y la facilidad. de implementación.

Dada una combinación de batería y panel fotovoltaico, el voltaje del MPP fotovoltaico puede estar por encima o por debajo del voltaje de carga de la batería. Las celdas dentro del panel se pueden conectar en serie, donde cada celda dentro del panel comparte la misma corriente, o en paralelo, donde cada celda comparte el mismo voltaje. Lee et al.41 identificaron que los paneles fotovoltaicos conectados en paralelo, con un voltaje MPP más bajo que los paneles conectados en serie, dan como resultado una mayor potencia de salida para los paneles fotovoltaicos portátiles en condiciones tales como dispositivos portátiles donde se espera una iluminación no uniforme en todo el panel. Por lo tanto, seleccionar un fotovoltaico conectado en paralelo con un voltaje MPP más bajo y una topología de convertidor elevador (Fig. 1) para aumentar el voltaje es un diseño efectivo para maximizar la recolección de energía fotovoltaica en una variedad de escenarios de iluminación. Si bien el bus de voltaje en la salida del convertidor alimenta todas las cargas dentro del dispositivo (por ejemplo, sensores, microcontrolador), está dominado por las características de la batería. El funcionamiento del convertidor boost está controlado por un microcontrolador de baja potencia, que ajusta la señal de modulación de ancho de pulso (PWM) utilizada para impulsar el MOSFET en función del algoritmo de control MPPT.

Un diagrama del sistema de recolección de energía fotovoltaica con convertidor elevador, donde la compuerta del transistor es impulsada por un circuito controlador de compuerta (\(\phi\)) y controlada por un microcontrolador.

Posibles ubicaciones de paneles fotovoltaicos flexibles en el cuerpo. La ubicación en cada ubicación tiene ventajas y desventajas relacionadas con el área de la superficie y el sombreado potencial durante los movimientos normales.

Para diseñar la arquitectura del sistema de energía para un dispositivo portátil con energía fotovoltaica, primero se debe identificar el consumo de corriente promedio de la carga del dispositivo, la potencia promedio \(P_{avg}\) y la capacidad anticipada de la batería. Estas consideraciones se ilustran a través de un ejemplo de diseño hipotético de un dispositivo portátil con un microcontrolador (MCU) de 4 MHz, una unidad de medición inercial (IMU) de 9 ejes, ocho sensores de tensión, un módulo Bluetooth MCU y una luz de pantalla (LED). . Si el voltaje de carga es de 3,3 V y los componentes están activos aproximadamente el 50 % del tiempo y, de lo contrario, se colocan en un modo de bajo consumo o de suspensión, el consumo de corriente promedio combinado sería de alrededor de 9 mA. Con un margen del 10% para tener en cuenta varias pérdidas o fugas, el consumo de corriente promedio será de aproximadamente 10 mA. El consumo de corriente promedio de cada componente se muestra en la Tabla 1.

Una vez que se identifica la corriente de carga esperada, se puede determinar la capacidad de la batería. En un dispositivo portátil sin recolección de energía, la capacidad utilizable de la batería de una sola carga debe ser superior a 80 mAh para durar más de 8 horas. La capacidad de la batería se puede reducir y compensar el consumo de energía si hay energía solar disponible para recargar la batería durante el funcionamiento del dispositivo. Tal reducción en la capacidad de la batería permite un dispositivo portátil más liviano y de bajo perfil.

Si bien la reducción de la capacidad de la batería a través de la energía solar ofrece una mejor portabilidad, también presenta una compensación con el tiempo de carga y el aumento de la temperatura. La tasa C de una batería es un valor normalizado basado en la capacidad de su placa de identificación42. Un estudio mostró que cargar una batería a 1,5 C (es decir, 1,5 veces su capacidad nominal) aumentó la temperatura de la batería en 6 °C, mientras que una tasa de 0,5 C limitó el aumento de temperatura por debajo de 2 °C43. Dado que la batería se usará cerca del cuerpo, es fundamental limitar la temperatura por debajo de 44 °C44 (por seguridad), e idealmente a 40 °C (por comodidad). La tasa de carga nominal debe estar entre 0.5C y 1C42.

En interiores, los paneles fotovoltaicos generarán una potencia nominal baja, lo que sugiere que el área del panel debe ser lo más grande posible. Sin embargo, la corriente suministrada por los paneles debe permanecer por debajo de 1C, incluso si el panel está expuesto a pleno sol. El tamaño de la potencia del panel debe ser tan grande como lo permita el factor de forma portátil sin exceder la corriente esperada a plena luz del sol.

La colocación del panel fotovoltaico dentro de una prenda requiere una consideración cuidadosa de las posibles deformaciones impuestas al panel durante el uso normal, la posibilidad de que los paneles impidan el movimiento del usuario, el área disponible para colocar un panel y los efectos de la sombra debido a la posición del cuerpo y proximidad a los objetos. Evaluamos la ubicación de los paneles fotovoltaicos utilizando dos métricas: (1) el área disponible para colocar los paneles en el cuerpo y (2) el potencial de autosombra durante las actividades diarias típicas. La Figura 2 es un diagrama de estas ubicaciones potenciales con sus clasificaciones de área y potencial de sombreado. La métrica del área corporal se toma para el percentil 50 de las personas en los Estados Unidos45,46,47, donde el área baja (-) se define como menos de 500 cm\(^2\) y el área alta (+) es más de 500 cm\(^2\). La métrica de sombreado se evalúa por la presencia de objetos cercanos (p. ej., muebles) o el sombreado propio durante las posturas corporales normales (p. ej., sentado, de pie), donde el bajo (-) se oscurece al sentarse y el alto (+) no se oscurece.

Potencia generada por el panel durante el pandeo (izquierda) y la tensión (derecha), normalizada a la potencia de salida sin deformación.

El efecto de la curvatura del brazo en la posición del panel. (a) Un diagrama de la conformación del panel fotovoltaico para brazos de circunferencia grandes y pequeños desde las vistas lateral y transversal. (b) Una fotografía del accesorio de prueba de curvatura, el panel y las luces halógenas, con una rotación de \(\theta\) = 45°. (c) La potencia máxima generada a medida que cambian la rotación y la circunferencia. Si bien tanto la curvatura como el ángulo afectan la potencia generada por los paneles, el ángulo domina la potencia generada. ( d ) Curvas PV para los paneles de 20 cm (izquierda) y planos (derecha). La curvatura decreciente aumenta la potencia máxima de 12 a 14 mW. (e) Curvas PV para un ángulo de 0° (izquierda) y una rotación de 50° (derecha). Aumentar el ángulo disminuye la potencia máxima generada de 14 mW a 8 mW.

Si bien la parte superior de la espalda y la parte inferior de la espalda ofrecen grandes áreas de panel, estos sitios no son adecuados para la recolección de energía porque los usuarios sentados cubrirán el panel cuando estén sentados en una silla. La colocación en la parte superior de la espalda y los hombros requeriría un diseño y una colocación cuidadosos del panel para no restringir los movimientos de los hombros por encima de la cabeza. El estómago y el pecho, de manera similar, experimentan una gran expansión durante la respiración, por lo que la colocación del panel aquí podría restringir la respiración natural de los usuarios. Por el contrario, la parte superior e inferior de los brazos no se doblan durante la actividad, lo que reduce las preocupaciones sobre la deformación del panel y, por lo general, no se sombrean al estar sentado o de pie. El brazo superior tiene una gran rotación hacia la luz del techo (y por lo tanto generaría poca energía). Si bien los antebrazos ofrecen un área de panel relativamente pequeña en comparación con otros sitios en el torso, la baja probabilidad de sombra y restricción de movimiento lo convierten en un lugar útil para paneles flexibles. Este trabajo se centra en la colocación de células fotovoltaicas en el antebrazo.

Los usuarios impondrán estrés mecánico y deformación, incluidas la fuerza, la tensión y la curvatura normales, en los paneles durante el uso. Investigamos el efecto de la deformación en la salida del panel, tanto en tensión como en curvatura. En el estudio se utilizaron tres modelos de paneles a-Si de sustrato flexible (PowerFilm Solar, Inc.) con diferentes propiedades. La Tabla 2 muestra las longitudes y anchos del panel en cm, los voltajes de circuito abierto y MPP, y la potencia esperada (en mW) a una irradiación de 1000 W/m\(^2\) (es decir, pleno sol) y 25 °C.

El voltaje MPP y la potencia de salida de los paneles bajo carga de tracción, normalizados a una condición de tensión cero, se muestran en la Fig. 3. Los detalles experimentales están disponibles en la sección "Métodos". Para cada tipo de panel, la potencia aumenta en menos del 10 % a medida que los paneles pasan del pandeo a la tensión, probablemente porque el panel no se sombrea automáticamente una vez que no se pandea. En tensión, la potencia normalizada es estable alrededor de su valor inicial dentro del 5% hasta que se alcanza la condición de parada. Las variaciones de panel a panel en la variación de voltaje MPP son grandes para ambos tipos de paneles, pero ni el pandeo ni la tensión crean una tendencia monótona en el voltaje MPP.

Una fotografía de la funda con una carga de batería, un convertidor CC-CC y paneles fotovoltaicos que cubren el antebrazo. Las dimensiones del panel determinan la ubicación en la manga.

El efecto de la rotación y la inclinación en la potencia de salida. (a) Una fotografía del accesorio de prueba del antebrazo, la manga y las luces halógenas, con un ángulo de inclinación de \(\beta\) = 45\(^{\circ }\). (b) Una fotografía de los arreglos de uno, dos y cinco paneles en la manga. (c) La potencia de salida generada a medida que cambia el ángulo de inclinación en ángulos de rotación de 0° (izquierda) y una rotación de 45° (derecha). ( d ) Eficiencia energética a medida que cambia el ángulo de inclinación en ángulos de rotación de 0 ° (izquierda) y una rotación de 45 ° (derecha).

La colocación de un panel fotovoltaico en un antebrazo induce la curvatura, y los usuarios con antebrazos más pequeños impondrán una curvatura mayor que los antebrazos más grandes (Fig. 4a). La Figura 4c muestra la potencia máxima producida a medida que aumenta la curvatura del panel y la rotación. La potencia de salida es máxima (12 mW) para un panel plano perpendicular a la fuente de luz y disminuye a medida que aumenta la curvatura o el ángulo. Cuando el panel está orientado a 90° con respecto a la lámpara, todavía se producen aproximadamente 2 mW de potencia. El ángulo tiene un impacto más drástico en la potencia producida que la curvatura: aumentar el ángulo de 0 ° a 90 ° reduce la potencia de salida en un factor de seis, mientras que aumenta la curvatura de 0,18 cm\(^{-1}\) (35 cm de circunferencia ) a 0,31 cm\(^{-1}\) (20 cm de circunferencia) reduce la producción en un máximo del 20 %.

Mediciones de potencia desde la manga durante diferentes escenarios. El brazo del maniquí colocado (a) abajo y recto, (b) arriba y recto, (c) abajo y doblado, y (d) arriba y doblado. (e) La potencia de salida promedio durante 30 segundos para tres ensayos y (f) la eficiencia correspondiente obtenida usando el sistema de convertidor y manga de cinco paneles durante cada escenario.

La figura 4d muestra las curvas de potencia versus voltaje con ángulo de rotación para dos curvaturas: la circunferencia más pequeña de 20 cm y un panel plano. A medida que aumenta el ángulo, el voltaje del punto máximo de la curva, que indica el MPP, disminuye para la circunferencia más pequeña, pero el efecto es menos pronunciado para el panel plano. La figura 4e muestra las curvas de potencia versus voltaje con circunferencias para un ángulo de giro de 0° y 50°. Cuando el panel se gira a 50°, la disminución de la circunferencia tiene una disminución observable en el voltaje MPP (punto máximo de la curva), mientras que el cambio en el voltaje MPP no es significativo a 0°. Estos resultados indican que para una curvatura más alta (circunferencia más pequeña), el voltaje de MPP variará a medida que cambie el ángulo de rotación mientras se usa la manga.

Otra consideración en la generación de energía fotovoltaica son los límites prácticos impuestos por la prenda. Para un tamaño de antebrazo determinado, queremos investigar qué configuración de paneles fotovoltaicos producirá la mayor potencia en una variedad de condiciones. Los paneles están integrados en un manguito (Fig. 5) y conectados en paralelo entre sí (el ánodo está orientado hacia el exterior del brazo y el cátodo está orientado hacia el interior del brazo), lo que permite conexiones mínimas de cableado entre paneles. Cuando la circunferencia del brazo aumenta durante la activación muscular, cada panel experimenta tensión de tracción entre el ánodo y el cátodo.

La circunferencia del brazo de 20 cm sirve como límite inferior para el tamaño de la manga junto con una longitud máxima del panel de 19 cm para dejar espacio en los codos y las muñecas. Dada esta área, son posibles tres configuraciones diferentes de paneles fotovoltaicos flexibles: un panel MPT3.6-150 (360 mW), dos paneles MPT3.6-75 (360 mW) o cinco paneles SP3-37 (330 mW). Debido a que la comparación es la potencia fotovoltaica posible en la cubierta, el área del panel fotovoltaico no es exactamente la misma en cada disposición. El convertidor CC-CC se monta en el manguito y la batería de iones de litio que actúa como carga cabe dentro de un bolsillo del manguito (Fig. 5); estos componentes siguen siendo los mismos en todos los arreglos de paneles.

La manga con los paneles fotovoltaicos adjuntos se prueba en interiores (Fig. 6). La potencia de salida se muestra en la Fig. 6c y la eficiencia de la potencia de salida sobre la potencia de entrada se muestra en la Fig. 6d. Los resultados muestran que la disposición del panel fotovoltaico tiene un efecto pronunciado en la potencia de salida. Primero, comparemos los arreglos con uno y dos paneles, donde los paneles tienen el mismo ancho (Fig. 2) y área fotovoltaica total. En todas las condiciones de prueba, la disposición de un solo panel produce una mayor potencia y eficiencia que la disposición de dos paneles, lo que indica que es la mejor opción entre las dos disposiciones.

La disposición con cinco paneles fotovoltaicos produce consistentemente la potencia más alta en todas las condiciones de prueba excepto para el ángulo de rotación \(\theta = 0^\circ\) y el ángulo de inclinación \(\beta = 0^{\circ }\) (el antebrazo mira directamente hacia la luz). Este resultado es a pesar de su potencia nominal más baja (330 mW frente a 360 mW), un área de panel aún mayor (117 cm\(^2\) frente a 108 cm\(^2\)). En el caso de inclinación cero y rotación cero, la potencia es inferior a 3 mW por debajo de la disposición de un solo panel. Cuando el ángulo de rotación es \(\theta =0^\circ\), la disposición de un solo panel da como resultado una eficiencia equivalente o ligeramente mayor que la disposición de cinco paneles. Sin embargo, cuando el ángulo de rotación es \(\theta =45^\circ\), la disposición de cinco paneles produce constantemente la mayor potencia de salida y eficiencia.

Otra métrica en la generación de energía fotovoltaica es la cantidad de energía que produciría la manga en una variedad de posiciones del brazo. La potencia producida por los paneles y convertidores se midió en un maniquí colocado en cuatro posiciones diferentes bajo la luz solar directa que varió de 770 a 820 Wm\(^{-2}\) (Fig. 7). La potencia promedio registrada para tres pruebas realizadas en cada posición, junto con la eficiencia energética, se muestra en la Fig. 7.

La potencia más alta producida fue de 93,9 mW, observada cuando el brazo estaba hacia abajo (simulando estar de pie) y la manga recibía luz solar directa. Por el contrario, la potencia más baja fue de 13,5 mW, observada cuando el brazo estaba levantado y en un ángulo de 90 \(^\circ\) (simulando hablar por teléfono); Según esta posición, los paneles fotovoltaicos de la funda apuntaban ligeramente hacia abajo, lejos de la luz solar directa. En todas las pruebas en diferentes posiciones, la potencia media producida fue de 65 mW. En cuanto a la eficiencia del sistema, la eficiencia varió de 55,9% a 81,9%, con un valor promedio de 74,8%. La eficiencia más baja se produjo con la potencia de entrada más baja, principalmente debido a las pérdidas en el controlador y el controlador de compuerta que no escalan con el nivel de potencia. Aunque la eficiencia se puede mejorar aún más, estos resultados verifican las potencias de salida logradas para una aplicación de manga portátil cuando el brazo estaba recto hacia abajo (77,0 mW) y hacia arriba (93,3 mW), y doblado con el brazo hacia abajo (75,6 mW) y hacia arriba (13,9 mW). mW).

Las preocupaciones principales para evaluar el rendimiento de la energía fotovoltaica en dispositivos portátiles son los cambios en la potencia de salida (determinada tanto por la generación del panel fotovoltaico como por la eficiencia del convertidor) debido a la flexión del panel y la variación de los ángulos de luz. Se observó que MPP disminuyó durante la curvatura. Por lo tanto, es importante emplear un algoritmo MPPT activo, como P & O, para rastrear estas variaciones, asegurando que el panel continúe operando en su MPP.

En actividades normales, las deformaciones mecánicas que se pueden imponer en un panel fotovoltaico con funda incluyen tensión entre el ánodo y el cátodo cuando el usuario flexiona los músculos del antebrazo y la curvatura cuando el panel se adapta al brazo del usuario. La tensión a lo largo de la longitud del panel se limitará ya que la longitud del antebrazo del usuario es fija. Las respuestas del panel a las pruebas de caracterización de la tensión sugieren que la flexión muscular tendrá un efecto limitado en el resultado del panel. Se produce un pequeño cambio en la potencia de salida o el voltaje MPP a medida que el panel pasa del pandeo a la tensión, con el mayor cambio cuando el panel recibe la intensidad de luz total en la condición de tensión cero.

A diferencia de la tensión, la curvatura y la posición del panel sí afectan la salida, probablemente debido al sombreado, la disminución de la irradiación directa a medida que aumenta la distancia entre el panel y la fuente de luz, y el ángulo de incidencia de una fuente de luz. El ángulo de rotación tiene un efecto mayor en la producción de energía que la curvatura del panel, con un cambio limitado en el MPP. Estos resultados están de acuerdo con trabajos previos; Park et al.36 observaron efectos similares en paneles de a-Si, con una disminución en la potencia a medida que aumentaba la curvatura del panel debido a la menor intensidad de la luz y al autosombreado del panel, mientras que el voltaje MPP se mantuvo relativamente constante. El efecto de disminución de la potencia será más pronunciado a medida que disminuya el tamaño del antebrazo, como resultado de la mayor curvatura y la mayor variación en el ángulo de incidencia. Sin embargo, el ángulo y la posición del panel tienen un impacto mayor que la curvatura, por lo que esperamos que la producción de energía de un cosechador fotovoltaico basado en una manga sea generalizable en una población.

Los experimentos de inclinación y rotación también demuestran la utilidad de un mayor número de paneles pequeños sobre un panel grande (Fig. 6). Bajo la condición especial de no rotación o inclinación, el enfoque de panel único (MPT 3.6-150) superó al de cinco paneles (SP3-37), a pesar del área fotovoltaica total un 8 % más grande en la disposición de cinco paneles (Fig. 6b). El dispositivo de prueba tiene una curvatura escalonada que simula la forma de un brazo, con una curvatura más baja en su base ("codo") y una curvatura más alta en su extremo ("muñeca"). La disposición de un solo panel se ajusta mal al accesorio de prueba que da como resultado una curvatura más baja sobre el panel, mientras que la disposición de cinco paneles se ajusta bien y tiene una curvatura más grande. Sin rotación ni inclinación, la mayor parte del panel único tiene un alto ángulo de incidencia, mientras que algunas partes de los paneles están curvadas alejándose de la luz en la disposición de cinco paneles. Cuando el dispositivo de prueba se inclina o gira, la fuente de luz todavía tiene un ángulo de incidencia alto en alguna parte de la disposición de cinco paneles, mientras que la mayor parte del panel único tiene un ángulo de incidencia bajo. Como resultado, la disparidad entre el rendimiento de la disposición de uno y cinco paneles aumenta a medida que aumenta la inclinación o la rotación.

La disposición de dos paneles (MPT 3.6-75) tiene el rendimiento más bajo de los tres casos a pesar de tener la misma área fotovoltaica que el panel único. El comportamiento está nuevamente dominado por la deformación del panel. Sin rotación ni inclinación, una parte del panel se curva, lo que da como resultado un rendimiento inferior al del panel único. Su rendimiento también es peor que el de la caja de cinco paneles debido a un área más pequeña. Un segundo factor es la división entre los dos paneles, que hace que cada uno de los dos paneles se adapte a la curvatura más cercana a la base. El cambio de curvatura entre la parte superior e inferior de cada panel es mayor que en la configuración de cinco paneles, lo que hace que el panel se "arquee" en relación con la superficie del dispositivo de prueba y reduzca su ángulo de incidencia en relación con la fuente de luz. Debido a que el cambio en la curvatura para el caso de un solo panel debe ser continuo (en lugar de una discontinuidad presente en la división del panel), la curvatura general y la conformidad son más bajas y el panel no exhibe tanta curvatura desde la superficie de la prueba. accesorio.

En estas medidas, los paneles flexibles planares más pequeños pueden adaptarse mejor a un área corporal deseada, brindando una mayor comodidad para el usuario y generando una mayor potencia en una variedad de condiciones esperadas. Una estrategia de paneles múltiples presenta ventajas entre la generación de energía más generalizada, pero agrega complejidad en la fabricación y otras preocupaciones de factor de forma, como la necesidad de quitar más paneles antes de lavar la prenda. Como tal, los diseñadores que utilizan paneles fotovoltaicos deben considerar cuidadosamente la potencia de salida requerida, así como el caso de uso más amplio de la prenda.

Las mediciones de potencia usando el maniquí se tomaron en cuatro posiciones estáticas diferentes y dan un rango de potencia esperado durante el uso regular en ambientes al aire libre. El ejemplo hipotético anterior que consume 33 mW podría cargarse continuamente en las tres posiciones de antebrazo más comunes (abajo, arriba y horizontal apuntando hacia arriba) que proporcionaron más de 75 mW. Incluso en la posición de potencia más baja (horizontal apuntando hacia abajo), la potencia de salida medida fue de 13,9 mW, que es el 42 % del consumo de potencia nominal y alargará proporcionalmente el tiempo de funcionamiento con una sola carga de batería. En base a estos resultados de potencia y suponiendo que la irradiancia y la potencia resultante podrían duplicarse en condiciones exteriores, la batería debe tener más de 51 mAh para limitar la tasa de carga de la batería por debajo de 1C a 3,7 V.

La energía solar es una fuente de energía prometedora para proporcionar energía adicional a las aplicaciones portátiles para reducir el tamaño de la batería requerida o aumentar el tiempo entre cargas. Sin embargo, existen desafíos (por ejemplo, reducción de energía) al pasar de paneles rígidos planos a paneles flexibles que permiten estas aplicaciones. Este trabajo detalló el proceso de diseño y las consideraciones de un dispositivo portátil alimentado por energía fotovoltaica a través de una aplicación basada en una funda y discutió su selección de panel fotovoltaico y convertidor de potencia. La tensión aplicada al panel fotovoltaico (por ejemplo, de la flexión muscular) no mostró un efecto claro en la potencia de salida del panel, mientras que el aumento de la curvatura del panel redujo su potencia de salida y el voltaje MPP. Se utilizaron paneles solares flexibles disponibles en el mercado de diferentes tamaños y características eléctricas para determinar la mejor disposición de los paneles, mientras que en la etapa de potencia se utilizó un convertidor elevador que rastrea activamente el MPP. Se encontró que el efecto del tamaño del cuerpo en la salida del panel era más bajo que la posición del brazo; el uso de una mayor cantidad de paneles pequeños puede compensar los ángulos de luz cambiantes de manera más efectiva que un panel grande. Los resultados experimentales al aire libre verifican la potencia proporcionada (65 mW en promedio) por paneles fotovoltaicos flexibles montados en una manga para alimentar un dispositivo portátil, incluso para circunferencias de antebrazo en el extremo más pequeño del rango adulto (20,4 cm).

Debido a su optimización para la luz exterior, no demostramos la salida del panel bajo iluminación interior. Sin embargo, esperamos que nuestros hallazgos de un mayor número de paneles sigan siendo más eficientes bajo varios tamaños de cuerpo y condiciones de iluminación para generalizar a las condiciones de interior. El trabajo futuro se centrará en 1) examinar paneles fotovoltaicos flexibles destinados a su uso en ambientes interiores para habilitar de manera más amplia dispositivos portátiles en condiciones en las que las personas los usarán y 2) diseñar experimentos que simulen una amplia gama de condiciones de uso, incluido el papel de la luz reflejada de las superficies circundantes, la construcción de la prenda y las posibles estrategias para lavar o quitar los paneles.

Para comprender los efectos de la tensión en la potencia de salida esperada, se colocaron paneles de cada tipo (N=5) en un probador de caracterización de materiales universal (5554, Instron) con una lámpara halógena de 250 W colocada a 19,5 cm del centro del panel. Se ancló el ánodo y se controló la posición del cátodo durante la prueba. En la posición inicial, el panel estaba doblado hacia afuera, hacia la lámpara. La posición final en cada prueba colocó el panel en tensión. La posición del cátodo se incrementó en 1 mm cuando el panel estaba doblado y en 0,1 mm cuando el panel estaba en tensión y sostenido mientras se medía el barrido IV con una carga programable de CC (8542b, BK Precision). Cada prueba se detuvo cuando se alcanzó una fuerza de tracción superior a 20 N.

Para estimar el efecto de la circunferencia del brazo y la rotación en la generación de energía, los paneles se colocaron en un accesorio de prueba impreso en 3D personalizado con una circunferencia de 20 cm a 35 cm en incrementos de 5 cm (Fig. 4b). Estos valores corresponden aproximadamente con el percentil 5 para los brazos femeninos por encima del percentil 95 para los brazos masculinos45. Se colocaron tres luces halógenas (de 150 W cada una) a una distancia de 30 cm del centro del panel, y los paneles se giraron manualmente desde la alineación con la lámpara en un ángulo de \(\theta\). Cuando el centro del panel mira directamente hacia la lámpara central, el ángulo de rotación es \(\theta =0^{\circ }\), y cuando el centro del panel gira, el ángulo aumenta (Fig. 4b). El MPP de cada panel se midió barriendo el voltaje de carga y midiendo la corriente de salida con una carga electrónica programable de CC (8600, BK Precision). Se tomaron cinco medidas en cada ángulo y curvatura, y la irradiancia en todos los casos fue de aproximadamente 545 Wm\(^{-2}\).

Para determinar la potencia cosechada por las tres disposiciones diferentes de paneles fotovoltaicos, la funda se montó en un dispositivo que emula un antebrazo, donde la base del dispositivo de prueba tiene una circunferencia de 35 cm y la parte superior del dispositivo (para simular una muñeca) es 20 cm de circunferencia. La manga con los paneles fotovoltaicos adjuntos se prueba en interiores (Fig. 6) con las tres luces halógenas apiladas verticalmente. El accesorio de la manga se giró (definido como ángulo de rotación \(\theta\)) e inclinó (definido como ángulo de inclinación \(\beta\)), mientras que se midió la potencia en la salida del convertidor elevador. Las medidas se tomaron en ángulos de rotación de 0 \(^\circ\) y 45 \(^\circ\), y en ángulos de inclinación de 0 \(^\circ\), 30 \(^\circ\), 45 \ (^\circ\), y 60 \(^\circ\). En cada ángulo, la medición se tomó dos veces y se informan los promedios. Las tres disposiciones de paneles fotovoltaicos montadas en el accesorio de prueba se muestran en la Fig. 6b.

En este experimento se utilizó la disposición con cinco paneles fotovoltaicos porque mostró la mayor potencia de salida en pruebas anteriores. La disposición de cinco paneles y el sistema de convertidor elevador se colocaron en el antebrazo de un maniquí de tamaño completo, que tenía una circunferencia máxima del antebrazo de 20,4 cm. El maniquí se colocó en cuatro posiciones estáticas: (1) brazo recto mientras apunta hacia abajo, (2) brazo recto mientras apunta hacia arriba, (3) brazo doblado a 90 \(^\circ\) mientras el brazo está hacia abajo pero el antebrazo está inclinado hacia arriba , y 4) brazo doblado a 90 \(^\circ\) mientras el brazo está hacia abajo pero el antebrazo está inclinado hacia abajo (Fig. 7). En estas diferentes posiciones, el maniquí se colocó al aire libre bajo la luz directa del sol en un día despejado y la irradiancia se midió perpendicular al suelo. La potencia de salida (a la salida del convertidor elevador) se midió para cada prueba durante 30 s durante tres pruebas consecutivas en cada posición.

Benedetto, S. et al. Evaluación del fitbit charge 2 para monitorear la frecuencia cardíaca. PLOS ONE13, e0192691, https://doi.org/10.1371/journal.pone.0192691 (2018). Editorial: Biblioteca Pública de Ciencias.

Díaz, KM et al. Fitbit®: un dispositivo preciso y confiable para el seguimiento inalámbrico de la actividad física. En t. J. Cardiol.185, 138–140, https://doi.org/10.1016/j.ijcard.2015.03.038 (2015). Editor: Elsevier.

Bassett, DR, Toth, LP, LaMunion, SR y Crouter, SE Conteo de pasos: una revisión de las consideraciones de medición y las aplicaciones relacionadas con la salud. Medicina deportiva 47, 1303–1315. https://doi.org/10.1007/s40279-016-0663-1 (2017).

Artículo PubMed Google Académico

Jin, Y. et al. Camisa de detección suave para la estimación de la cinemática del hombro. En 2020 Conferencia internacional IEEE sobre robótica y automatización (ICRA), 4863–4869, https://doi.org/10.1109/ICRA40945.2020.9196586 (2020). ISSN: 2577-087X.

Kartsch, V., Benatti, S., Mancini, M., Magno, M. y Benini, L. Pulsera portátil inteligente para el reconocimiento de gestos basado en EMG alimentado por un recolector de energía solar. En 2018 Simposio internacional IEEE sobre circuitos y sistemas (ISCAS), 1–5, https://doi.org/10.1109/ISCAS.2018.8351727 (2018). ISSN: 2379-447X.

Chong, Y.-W., Ismail, W., Ko, K. y Lee, C.-Y. Recolección de energía para dispositivos portátiles: una revisión. Sensores IEEE J. 19, 9047–9062, https://doi.org/10.1109/JSEN.2019.2925638 (2019). Nombre de la conferencia: IEEE Sensors Journal.

Hamid, R. & Yuce, MR Una unidad de recolección de energía portátil que utiliza una técnica híbrida piezoeléctrica-electromagnética. Sens. Actuators, A 257, 198–207. https://doi.org/10.1016/j.sna.2017.02.026 (2017).

Artículo CAS Google Académico

Tran, TV & Chung, WY Recolector de energía de alta eficiencia con panel solar flexible para un dispositivo sensor portátil. IEEE Sens. J. 16, 9021–9028. https://doi.org/10.1109/JSEN.2016.2616114 (2016).

Artículo ADS CAS Google Académico

Khalid, S., Raouf, I., Khan, A., Kim, N. y Kim, HS Una revisión de la recolección de energía impulsada por humanos para la electrónica inteligente: avances y desafíos recientes. En t. J. Precis. Ing. Fabricación Tecnología verde. 6, 821–851. https://doi.org/10.1007/s40684-019-00144-y (2019).

Artículo Google Académico

Magno, M. & Boyle, D. Recolección de energía portátil: del cuerpo a la batería. En 2017, 12.ª Conferencia internacional sobre tecnología de diseño de sistemas integrados en la era de la nanoescala (DTIS), 1–6, https://doi.org/10.1109/DTIS.2017.7930169 (2017).

Kalantarian, H. & Sarrafzadeh, M. Podómetros sin baterías: un zapato de recolección de energía. Sensores IEEE J.16, 8314–8321, https://doi.org/10.1109/JSEN.2016.2591331 (2016). Nombre de la conferencia: IEEE Sensors Journal.

Samad, FA, Karim, MF, Paulose, V. & Ong, LC Un sistema curvo de recolección de energía electromagnética para dispositivos electrónicos portátiles. IEEE Sens. J. 16, 1969–1974. https://doi.org/10.1109/JSEN.2015.2500603 (2016).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Zou, Y., Raveendran, V. & Chen, J. Nanogeneradores triboeléctricos portátiles para la recolección de energía biomecánica. Nano Energy 77, 105303. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105303 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Raju, M. & Grazier, M. ULP se encuentra con la recolección de energía: una combinación revolucionaria para los ingenieros de diseño. tecnología Rep. SLYY018A, Texas Instruments (2010).

Nozariasbmarz, A. et al. Revisión de la recolección de energía termoeléctrica portátil: desde la temperatura corporal hasta los sistemas electrónicos. aplicación Energía 258, 114069. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.114069 (2020).

Artículo Google Académico

Huang, J., Zhou, Y., Ning, Z. y Gharavi, H. Transferencia de energía inalámbrica y recolección de energía: estado actual y perspectivas futuras. Cable IEEE. Commun.26, 163–169, https://doi.org/10.1109/MWC.2019.1800378 (2019). Nombre de la conferencia: Comunicaciones inalámbricas IEEE.

Fortmann, J., Heuten, W. & Boll, S. Requisitos del usuario para joyería digital. En Actas de la Conferencia HCI británica de 2015, 119–125 (2015).

Rantakari, J., Inget, V., Colley, A. y Häkkilä, J. Gráficos de preferencias de diseño en dispositivos portátiles de bienestar. En Actas de la 7.ª Conferencia Internacional Humanitaria Aumentada 2016, 1–4 (2016).

Pagliaro, M., Ciriminna, R. & Palmisano, G. Celdas solares flexibles. Chemsuschem 1, 880–891. https://doi.org/10.1002/cssc.200800127 (2008).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Zou, D., Wang, D., Chu, Z., Lv, Z. y Fan, X. Células solares flexibles en forma de fibra. Coord. química Rev. 254, 1169–1178. https://doi.org/10.1016/j.ccr.2010.02.012 (2010).

Artículo CAS Google Académico

Arumugam, S. et al. Células solares orgánicas totalmente recubiertas por aspersión sobre telas tejidas de poliéster y algodón para aplicaciones portátiles de recolección de energía. J.Mater. química A4, 5561–5568, https://doi.org/10.1039/C5TA03389F (2016). Editor: Sociedad Real de Química.

Huang, C.-S. et al. Textiles de recolección de energía: uso de concentradores solares luminiscentes portátiles para mejorar la eficiencia de las células solares de fibra. J.Mater. química A9, 25974–25981, https://doi.org/10.1039/D1TA04984D (2021). Editor: Sociedad Real de Química.

Chai, Z. et al. Dispositivos textiles personalizables y portátiles para la recolección de energía solar y el almacenamiento simultáneo. ACS Nano10, 9201–9207, https://doi.org/10.1021/acsnano.6b05293 (2016). Editor: Sociedad Química Estadounidense.

Li, C. et al. Cintas inteligentes de energía portátiles para la recolección y el almacenamiento de energía síncrona. Nat. Commun.7, 13319, https://doi.org/10.1038/ncomms13319 (2016). Número: 1 Editorial: Nature Publishing Group.

Peng, M., Dong, B. y Zou, D. Fibras fotovoltaicas tridimensionales para la recolección y conversión de energía portátil. J. Energía Chem. 27, 611–621. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2018.01.008 (2018).

Artículo Google Académico

Yun, MJ, Cha, SI, Seo, SH y Lee, DY Células solares sensibilizadas por colorante altamente flexibles producidas cosiendo electrodos textiles sobre tela. ciencia Rep. 4, 1–6 (2014).

Google Académico

Satharasinghe, A., Hughes-Riley, T. & Dias, T. Una investigación de un textil de recolección de energía solar resistente al lavado. prog. Fotovoltaica Res. aplicación 28, 578–592 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Yu, B.-Y. et al. Sistema de recolección de energía solar y RF híbrido flexible y portátil. Trans. IEEE. Antenas Propag.70, 2223–2233, https://doi.org/10.1109/TAP.2021.3118814 (2022). Nombre de la conferencia: IEEE Transactions on Antennas and Propagation.

Cossio, G., Yu, ED, Tatavarti, SR, Scandrett, B. & Yu, ET Mejora de la corriente omnidireccional a partir de envases de polímero laminado con textura de ojo de polilla para módulos solares iii-v flexibles de gran superficie. IEEE J. Fotovol. 11, 685–691. https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2021.3065295 (2021).

Artículo Google Académico

Liu, Z. & Wang, XC Fabricación y evaluación del desempeño de prendas solares. J. Limpio. Pinchar. 42, 96–102. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2012.11.015 (2013).

Artículo Google Académico

Mohsen, S., Zekry, A., Abouelatta, M. & Youssef, K. Un nodo de sensor portátil autoalimentado para aplicaciones de atención médica de iot. En 2020, 8.ª Conferencia Internacional Japón-África sobre Electrónica, Comunicaciones y Computación (JAC-ECC), 70–73, https://doi.org/10.1109/JAC-ECC51597.2020.9355925 (2020).

Kartsch, V., Benatti, S., Mancini, M., Magno, M. y Benini, L. Pulsera portátil inteligente para el reconocimiento de gestos basado en emg alimentado por un recolector de energía solar. En 2018 Simposio internacional IEEE sobre circuitos y sistemas (ISCAS), 1–5, https://doi.org/10.1109/ISCAS.2018.8351727 (2018).

Zhao, J. et al. Un reloj inteligente totalmente integrado y autoalimentado para el control continuo de la glucosa en el sudor. Sensores ACS4, 1925–1933, https://doi.org/10.1021/acssensors.9b00891 (2019). Editor: Sociedad Química Estadounidense.

Brogan, Q., O'Connor, T. & Ha, DS Recolección de energía solar y térmica con una chaqueta portátil. En 2014 Simposio internacional IEEE sobre circuitos y sistemas (ISCAS), 1412–1415, https://doi.org/10.1109/ISCAS.2014.6865409 (2014). ISSN: 2158-1525.

Páez-Montoro, A., García-Valderas, M., Olías-Ruíz, E. & López-Ongil, C. Solar energy harvesting to improve capabilities of wearable devices. Sensors22, 3950, https://doi.org/10.3390/s22103950 (2022). Number: 10 Publisher: Multidisciplinary Digital Publishing Institute.

Park, J., Joshi, H., Lee, HG, Kiaei, S. & Ogras, UY Modelado flexible de células fotovoltaicas para la recolección de energía en aplicaciones IOT portátiles. ACM Trans. Empotrar. computar Syst.16, https://doi.org/10.1145/3126568 (2017).

Tuncel, Y., Basaklar, T. & Ogras, U. ¿Cuánta energía podemos recolectar diariamente para aplicaciones portátiles? En 2021 Simposio internacional IEEE/ACM sobre diseño y electrónica de baja potencia (ISLPED), 1–6 (IEEE, 2021).

Ramanujam, J. et al. Células solares de película delgada basadas en cigs flexibles, cdte y a-si:h: una revisión. prog. Materia Sci. 110, 100619. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2019.100619 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Esram, T. & Chapman, PL Comparación de técnicas de seguimiento del punto de máxima potencia de conjuntos fotovoltaicos. Trans. IEEE. Convertidores de energía. 22, 439–449. https://doi.org/10.1109/TEC.2006.874230 (2007).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Subudhi, B. & Pradhan, R. Un estudio comparativo sobre técnicas de seguimiento del punto de máxima potencia para sistemas de energía fotovoltaica. Trans. IEEE. Sostener. Energía 4, 89–98. https://doi.org/10.1109/TSTE.2012.2202294 (2013).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Lee, H. y Kim, KA Comparación de configuraciones de convertidores fotovoltaicos para aplicaciones portátiles. En IEEE Workshop on Control and Modeling for Power Electronics (COMPEL), 1–6, https://doi.org/10.1109/COMPEL.2015.7236504 (2015).

Perez, HE, Hu, X., Dey, S. & Moura, SJ Carga óptima de baterías de iones de litio con dinámica de envejecimiento electrotérmico acoplada. Trans. IEEE. Veh. Tecnología 66, 7761–7770. https://doi.org/10.1109/TVT.2017.2676044 (2017).

Artículo Google Académico

Lopez, J., Gonzalez, M., Viera, J. & Blanco, C. Carga rápida en baterías de iones de litio para aplicaciones portátiles. En Conferencia Internacional Anual de Energía de Telecomunicaciones de INTELEC, 19–24, https://doi.org/10.1109/INTLEC.2004.1401439 (2004).

Guía estándar para las condiciones de la superficie del sistema calentado que producen lesiones por quemaduras por contacto. tecnología Rep. C1055-03, Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales (ASTM) (2014).

Churchill, E., Laubach, L., McConville, J. & Tebbetts, I. Libro fuente antropométrico. Volumen 1: Antropometría para diseñadores. tecnología Representante NASA-RP-1024, NASA (1978).

Fryar, C., Carroll, M., Gu, Q., Afful, J. & Ogden, C. Datos de referencia antropométricos para niños y adultos: Estados Unidos, 2015-2018. tecnología Rep. 46, Departamento de Salud y Servicios Humanos de EE. UU., Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades, Centro Nacional de Estadísticas de Salud (2021).

Guan, J. et al. Estudio antropométrico de los camioneros estadounidenses. tecnología Rep., Departamento de Salud y Servicios Humanos de EE. UU., Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades, Instituto Nacional de Salud y Seguridad Ocupacional (2015).

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Este trabajo fue apoyado en parte por el Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán bajo la Subvención 109-2221-E-002-097. Los autores también agradecen a Justin Kunimune por su ayuda con las figuras de LaTeX, a la Dra. Denise McKahn por su guía para caracterizar la respuesta del panel a la tensión y a Guan-Ru Li, Chi Jui Lo, Yu-Ting Yang y Shang-You Chiu por su ayuda en realizando experimentos.

Departamento de Ingeniería Eléctrica, Universidad Nacional de Taiwán, Taipei, 106, Taiwán

Katherine A. Kim y F. Selin Bagci

Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, Universidad Northeastern, Boston, MA, 02115, EE. UU.

kristen l dorsey

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KK, SB y KD concibieron y diseñaron los experimentos. KK y SB diseñaron y construyeron la placa de circuito. KK, SB y KD llevaron a cabo diferentes experimentos. KK, SB y KD interpretaron los datos y escribieron el manuscrito.

Correspondencia a Katherine A. Kim.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Kim, KA, Bagci, FS y Dorsey, KL Consideraciones de diseño para la recolección de energía fotovoltaica en dispositivos portátiles. Informe científico 12, 18143 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22232-x

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Recibido: 06 enero 2022

Aceptado: 11 de octubre de 2022

Publicado: 28 de octubre de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-22232-x

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