Recuperación energética al servicio del IoT

La recuperación energética es una tecnología consiste en recoger y convertir pequeñas cantidades de energía disponibles en el entorno, como la luz, el calor, el sonido, las ondas de radio, las vibraciones y el movimiento, en una fuente eléctrica.

La recuperación de energía no es una tecnología nueva. Desde los primeros componentes electrónicos y transductores que convierten la energía en electricidad (como las células fotovoltaicas o los módulos Peltier), esta tecnología siempre ha estado en la mente de los diseñadores. Sin embargo, rara vez encontró su camino en las aplicaciones por dos razones: su eficiencia era limitada y la energía recuperada era difícil de almacenar.

Los recientes avances en el consumo de energía de los circuitos integrados impulsados por las necesidades de la Internet de las cosas (IoT) están abriendo nuevas oportunidades.

Anteriormente, la recuperación de energía era insignificante en comparación con el consumo de los circuitos. Hoy en día, las nuevas generaciones de componentes permiten considerar la recolección de energía para mejorar significativamente la eficiencia energética de una aplicación o simplemente eliminar el uso de baterías en ciertos dispositivos, como los nodos de sensores inalámbricos IoT.

La recuperación de energía puede ser una baza esencial para poder aceptar una nueva aplicación:

• Mantenimiento reducido: no hay que cambiar la batería.
• Respeto del medioambiente eliminando el uso de pilas.
• Nuevas oportunidades para el despliegue de aplicaciones en lugares remotos o submarinos.
• Reducción de los costes de explotación.

Sea cual sea la energía recogida, el proceso de captación y conversión sigue siendo esencialmente el mismo. Consta de cuatro elementos:

• Un transductor que ofrece la conversión de energía en electricidad.
• Un circuito de procesamiento de la señal (rectificación y amplificación de la señal).
• Un componente de almacenamiento (supercondensadores).
• Una unidad de gestión de la energía que optimiza la recuperación mediante el control de la carga y la descarga del elemento de almacenamiento.
• Banner recuperación energética al servicio del IoT

Hay muchas fuentes de energía a nuestro alrededor, en el medioambiente que pueden ser utilizadas como sistemas de recuperación de energía.

No obstante, hoy en día, se utilizan poco. Algunas de ellas son muy prometedoras debido a su abundancia en nuestro entorno, como la luz, las vibraciones, las ondas de radiofrecuencia y las fuentes de calor. ¡Repasémoslas!

Luz natural o artificial

La tecnología basada en el efecto fotovoltaico permite captar, recuperar y convertir la energía del sol o de las luces artificiales. Actualmente es la más avanzada a pesar de un rendimiento relativamente bajo que no supera el 20 %. Actualmente, ofrece una relación potencia/área de hasta 100 mW/cm2.

La investigación para mejorar la eficacia y ofrecer nuevas posibilidades no se ha detenido, sino todo lo contrario. En las últimas décadas han surgido nuevos materiales como el silicio amorfo (aSi) o el cobre-indio-selenio (CIS). Ofrecen propiedades mecánicas más ventajosas y son menos costosos que el silicio policristalino y monocristalino; en detrimento de una menor eficiencia.

Esta tecnología se utiliza habitualmente para alimentar sensores en entornos hostiles. En este caso, el panel solar mide unos pocos centímetros cuadrados. Suministrará la mayor parte de la energía utilizando el efecto fotovoltaico. El uso de esta tecnología en interiores es posible, pero su eficacia es 1.000 veces menor.

Las vibraciones

La vibración está presente en muchos entornos, especialmente en la industria. Son omnipresentes en las fábricas, lo que supone una verdadera oportunidad con el despliegue de la industria 4.0 que requiere el uso de una enorme cantidad de sensores.

La conversión de vibraciones en electricidad puede lograrse mediante cuatro tipos de sensores: electromagnéticos, electrostáticos, magnetorrestrictivos y piezoeléctricos.

Con una relación potencia-área de hasta 100 µW/cm2, la captación de energía por vibración puede utilizarse en muchos otros ámbitos. A continuación, se ofrecen algunos ejemplos:

• Aprovechar la energía cinética del cuerpo humano para alimentar dispositivos como relojes y pulseras inteligentes.
• Recuperar la energía de la presión sobre las teclas para proporcionar la fuente eléctrica necesaria en el momento de accionar un mando a distancia.
• Alimentación de sensores en el borde de las vías férreas utilizando las vibraciones creadas por el paso de los trenes.

Las ondas de radiofrecuencia

A medida que las ondas de radiofrecuencia abundan en el entorno, también lo hacen las oportunidades de recolectar energía. El uso de la energía de radiofrecuencia para alimentar pequeños dispositivos tampoco es nuevo. La RFID, o identificación por radiofrecuencia, se utiliza desde hace algunos años y es un ejemplo concreto. Este sistema utiliza la transferencia de energía electromagnética para funcionar.

Desde el inicio de los 2000, la presencia de radiofrecuencias se ha multiplicado por diez con la llegada de las comunicaciones celulares y Wi-Fi. Esta fuente de energía disponible es muy prometedora y los fabricantes de circuitos integrados están intentando sacar partido de ella. Ahora ofrecen circuitos de recepción dedicados para recoger esta energía. Convierten las señales de radiofrecuencia en señales eléctricas de corriente continua. Los módulos “Rectena” (antena rectificadora) que ofrecen la conversión de la señal de RF a corriente continua se fabrican específicamente para esta operación.

Por supuesto, este tipo de recuperación de energía es un recurso potencial para las aplicaciones de potencia ultrabaja y una fuente de respaldo para los diseños más necesitados de energía. Como ejemplo, se puede esperar obtener una potencia de 1 microvatio recuperando la energía de un transmisor de 1 W colocado a una distancia de 1 metro.

La energía térmica

Nuestro entorno contiene una cantidad considerable de fuentes de calor que puede ser utilizada como fuente para la recuperación de la energía. Procede, en particular, de fuentes vinculadas a la actividad humana, como los aparatos electrónicos, los motores, el calentamiento de los sistemas mecánicos, etc.

Toda esta energía podría convertirse en electricidad mediante la termoelectricidad. Esta tecnología se basa en los efectos Seebeck y Peltier, propiedades de asociación de materiales descubiertas durante el siglo XIX. Las primeras aplicaciones concretas se comercializaron en 1950, pero su bajo rendimiento no permitió su desarrollo. La preocupación por la eficiencia energética de las últimas décadas ha dado un nuevo impulso a la investigación.

Recientemente han conseguido algunos tímidos avances, como el descubrimiento de nuevos materiales que mejoran la eficacia de la conversión, basados en nanoestructuras de telururo de plomo. Sin embargo, estos materiales fabricados con metales pesados son frágiles, raros y caros. Por ello, se siguen investigando alternativas más rentables. Sin embargo, como ocurre con otras fuentes, el bajo consumo de los circuitos ofrece nuevas perspectivas:

• Detectar la temperatura del cuerpo humano para alimentar los dispositivos wearables (que podemos llevar encima), como serían los relojes conectados o dispositivos médicos conectados, como los marcapasos.
• El uso del calor generado por los vehículos para producir energía que alimenta los distintos sensores.

Los objetos conectados están llamados a generalizarse en los próximos años. Sin embargo, este despliegue solo será posible si estos circuitos obtienen su energía del entorno en el que operen.

Mientras tanto, a medida que se producen nuevos avances en la eficiencia de la conversión, los fabricantes de semiconductores ofrecen circuitos cada vez más eficientes desde el punto de vista energético y soluciones de gestión de la recuperación de la energía, que pueden ser de múltiples fuentes para aumentar la eficiencia energética de las aplicaciones y por consiguiente lograr el ahorro de energía.

La captación de energía ha dejado de ser una fuente de frustración para los diseñadores de electrónica que quieren minimizar el impacto energético de sus diseños.