Cosechamiento de energía para consumibles electrónicos, una alternativa para el reemplazo de baterías

p10Las fuentes de energía del medio ambiente son abundantes y las encontramos en cualquier forma a nuestro alrededor. Stephe y colaboradores (2010) definen al cosechamiento de energía como un proceso físico por el cual la energía es capturada y colectada desde el medio ambiente por fuentes naturales tales como: solar, los gradientes de temperatura, vibraciones mecánicas, ondas electromagnéticas, entre otras, que se almacena para convertirla en energía eléctrica.

El cosechamiento de energía a partir de fuentes del medio ambiente es una opción atractiva y cada vez más factible para dispositivos de bajo consumo de potencia como lo son los implantes biomédicos (marcapasos, bombas de infusión, implantes cocleares), nodos de sensores inalámbricos y consumibles electrónicos (celulares, MP3, tabletas).

El elemento de almacenamiento más usado es la batería, que sirve para la alimentación de sistemas electrónicos. Sin embargo, desde que el volumen para la integración en los sistemas miniaturizados es bastante pequeño, la capacidad de energía es muy limitada, además la capacidad de almacenamiento de energía se agota rápidamente después de un tiempo de funcionamiento. Frecuentemente el reemplazo de la batería es impráctico en los sistemas, ya que por ejemplo saldría muy costoso para una gran red de sensores inalámbricos que constan de cientos a miles de nodos de micro-sensores autónomos distribuidos espacialmente el reemplazo de sus fuentes de poder. Otro caso, es en donde se requerirá cirugía invasiva para sustituir las mismas (por ejemplo, las pilas de marcapasos necesitan ser reemplazados cada seis o siete años, en promedio). Como resultado, uno de los desafíos clave en estos sistemas es proporcionar convenientemente la potencia requerida para vida larga y el funcionamiento libre de mantenimiento.

Esquivel y Alamilla (2016) de la firma de consultoría Competitive Intelligence Unit, reportaron que el teléfono inteligente (Smartphone), al cierre del primer trimestre de 2016 tenía una penetración de 73.4 por ciento que representa 79.98 millones de dispositivos en funcionamiento, es decir, 34.7 por ciento más respecto al mismo periodo de 2015. Esto significa la misma cantidad en baterías, a lo cual se suman más cada año con la adquisición de nuevos equipos por parte de los usuarios. En esta área de los dispositivos portátiles se pretende prolongar la vida de sus baterías. Esto a su vez reducirá la cantidad de estas últimas que son desechadas al medio ambiente, muchas de ellas sin pasar por un proceso de reciclaje.

La cosecha de energía de las fuentes ambientales es un objetivo claro para la alimentación por largos periodos de tiempo o recarga de dispositivos inteligentes. Aunque se han propuesto y presentado en el marco del internet de las cosas (IoT  por sus siglas en inglés Internet of the things) recientemente una serie de tecnologías de aprovechamiento de la energía, las fuentes de radiación solar, termoeléctricas y mecánicas son las opciones más viables para proveer la potencia.

Más aún, la mayoría de los dispositivos actualmente son alimentados por baterías no recargables, por razones de costo, la disponibilidad y la conveniencia. Sin embargo, la necesidad de reemplazo, los recursos energéticos limitados y las implicaciones ecológicas, esto se convertirá en un problema grave cuando se tenga la alimentación de miles de millones de dispositivos en el mundo para el IoT, imagínense ¡se podría llenar un océano con las baterías que serán necesarias para alimentar a trillones de dispositivos interconectados!

La necesidad de una fuente de alimentación eléctrica ha estimulado un interés en la recolección de energía usando dispositivos transductores como piezoeléctricos, celdas solares, termoeléctricos, entre otros. Uno de los constantes estudios es cómo desarrollar un enfoque que maximiza la potencia transferida desde los materiales y transductores.

Un sistema de cosechamiento de energía se compone principalmente de cinco bloques: el transductor, el convertidor de potencia, la unidad de control, el sistema de almacenamiento de energía, y la unidad de aplicación, la arquitectura se muestra arriba en la figura. El transductor de energía convierte la energía ambiente en energía eléctrica, que se almacena en la memoria intermedia de energía (una batería recargable o un condensador de alto rendimiento) para la alimentación de la unidad de aplicación (por ejemplo implante biomédico, consumible electrónico). La unidad de control desempeña un papel crucial para la máxima  eficiencia del sistema. Esta produce las señales de control y garantiza un funcionamiento del punto de máxima potencia (MPP) en todo momento mediante la ejecución de un plan de seguimiento de MPP. El objetivo del convertidor de potencia es extraer la mayor cantidad de potencia como sea posible desde el transductor de energía y pasarla tanto como sea posible a la salida.

En la actualidad existen diversas aplicaciones de los cosechadores de energía para dispositivos de baja potencia, sin embargo, un parámetro que se debe analizar es la potencia que proporciona cada fuente con el fin de obtener la opción más viable de acuerdo a la aplicación. Se listan los valores de potencia reportados para algunos cosechadores de energía.

 

Cosechadores de Energía                                                  Densidad de Potencia

  • Celda Solar (Aire libre al mediodía) 15mW/cm2
  • Piezoeléctrico 330μW/cm3
  • Vibración (pequeño horno de microondas) 116μW/cm3
  • Termoeléctrico ( 10 ᵒC ) 40μW/cm3
  • Ruido Acústico (100dB) 960nW/cm3

 

Estos valores son muy pequeños en el orden de una millonésima parte de un Watt, pero como si fuera una gota de agua que se usa para llenar un vaso, así se almacena, gota a gota, de tal forma que si se busca darle una aplicación a estas cantidades de potencia tan pequeñas, se pueden encontrar valores para algunos dispositivos de bajo consumo de potencia, tales como:

 

Dispositivo                                             Potencia

  • Marcapasos Implantable 4.80µW
  • Estimulador Neuronal             1.88mW
  • Sensor inalambrico            100µW
  • Reproductor Mp3           50mW
  • Celular (smpartphone) 1W
  • Bomba de Insulina            4.80W

 

La potencia cosechada por un dispositivo transductor como por ejemplo un piezoeléctrico es intermitente, en forma de corriente alterna (CA), y es variable en magnitud de voltaje y corriente. Por lo tanto, se requieren circuitos electrónicos con etapas  de almacenamiento y rectificación para la mayoría de las aplicaciones. Además, la energía cosechada por los transductores es muy sensible a las cargas eléctricas conectadas (celulares, tabletas, etcétera). Si la carga eléctrica no coincide con la impedancia de estos, la energía entregada a dicha carga sería una pequeña fracción que el transductor es capaz de cosechar. Por lo tanto, un circuito electrónico eficaz de gestión de potencia es necesario diseñarlo para que los cosechadores suministren la energía a la carga eléctrica de forma eficiente. De ahí que el tema de cosechamiento sigue en constante desarrollo desde la nanotecnología, ingeniería de materiales hasta la fabricación de circuitos integrados. En la Facultad de Ciencias de la Electrónica se investiga y se trabajan en estos temas desde el desarrollo de los transductores hasta los circuitos de control y manejo de la energía.

Lo novedoso que resulta obtener energía, convertirla y almacenarla continuamente a partir de diversas formas, como lo puede ser el movimiento del ser humano o la proporcionada por el medio ambiente, es poder proporcionar alimentación de voltaje a los dispositivos de baja potencia, de esta manera los usuarios ya no tendrán la necesidad de recargar sus dispositivos desde una toma corriente de CA, o en otro caso al usar esta tecnología de cosechadores se puede prolongar el tiempo de vida de las baterías o llegar a sustituirlas, lo que significa que podrían completamente operar con energía autosustentable. Se busca de esta manera sustituir baterías por dispositivos que funcionen de forma autónoma durante largos periodos de tiempo sin la necesidad y problemas que conlleva usar dichas baterías como lo son: economía por la sustitución, mantenimiento, volumen y sobre todo la capacidad de almacenamiento.

 

roberto.ambrosio@correo.buap.mx

 

Bibliografía

  1. Stephe, White Neil M. (2010). Energy Harvesting for Autonomous Systems. USA: Artech.

Fernando Esquivel y Rolando Alamilla. (2016). Mercado de Smartphones en México 1T16. Abril 2017, de Competitive Intelligence Unit Sitio web: http://the-ciu.net/nwsltr/515_1Distro.html