La recolección de energía puede habilitar 1 billón de sensores sin batería en el IoT

Los dispositivos de detección inalámbricos de IoT se pueden colocar sobre, dentro o cerca de personas, equipos, infraestructura y nuestro entorno. Esto nos brinda nuevas herramientas para abordar los desafíos más urgentes de nuestro mundo del siglo XXI:desde el cambio climático hasta garantizar energía limpia, alimentos seguros y, sobre todo, cuidar la salud y el bienestar de una población que envejece. Sin embargo, para lograr esto, debemos abordar la brecha de "impulsar el IoT". Es decir, las soluciones deben funcionar con baterías que sobrevivan a los dispositivos IoT que alimentan.

Este artículo explora la contribución crítica que las soluciones impulsadas por la recolección de energía (EH) pueden proporcionar para el IoT. De los billones de sensores que podrían implementarse en los próximos años, una gran mayoría serán de la variedad inalámbrica de potencia ultrabaja (ULP). Estos también son los mejores candidatos para EH, que pueden complementar la alimentación externa o servir como fuentes de alimentación independientes.

El enfoque que adoptamos para potenciar el IoT es fundamental para habilitar muchas de las tecnologías que cambian nuestro mundo todos los días. Por ejemplo, los vehículos conectados y autónomos (CAV) dependerán de una detección confiable y ubicua con conectividad de ancho de banda alto y bajo, todo lo cual requiere una mayor densidad de potencia y reducción de peso, dos cosas que el sensor inalámbrico autoalimentado soporte de redes.

Coste

Un importante valor agregado de EH es proporcionar/complementar la energía del sistema en el punto de consumo mediante la captura de energía ambiental en el entorno operativo. La justificación y el éxito de las implementaciones de EH, particularmente en términos de costo total de propiedad, dependen en gran medida del método de cálculo de la recuperación. Por ejemplo, agregar $3 – $5 a la lista de materiales de un sistema para las capacidades de EH puede parecer una locura cuando se compara con una celda de moneda desechable que cuesta aproximadamente $0.25 por volumen. Incluso dejando de lado los factores ambientales y de sostenibilidad, hay mucho que considerar en el análisis financiero. Si esa batería alguna vez necesita ser reemplazada, entonces los costos de mano de obra/logística de acceso por sí solos pueden eliminar los ahorros de la celda de moneda en órdenes de magnitud; Dios no lo quiera si esa batería está en un entorno hostil y/o inaccesible, como un muro de hormigón, techo alto, cuerpo humano o pozo de petróleo profundo.

Energía ambiental

EH implica el uso de energías ambientales que están disponibles (calor, vibraciones, luz) como fuentes de energía. Hay un punto óptimo, desde alrededor de un microvatio hasta unos pocos cientos de microvatios, donde existe el "doble impacto" de un consumo significativamente menor en la fuente de energía existente y una mayor viabilidad para usar energías ambientales de cosechadoras de tamaño razonable. Esto puede aumentar significativamente la duración de la batería y, en algunos casos, incluso conducir a una autonomía energética completa. (Esto se analiza en una publicación reciente de la UE y se ilustra en la Figura 1. ⁱ )

Un desafío clave impulsado por la integración de EH en el diseño del sistema es lidiar con fuentes de energía que pueden ser de naturaleza bastante esporádica. Necesitan dispositivos/circuitos de almacenamiento de energía y administración de energía para capturar la energía y hacerla disponible para su uso posterior. No solo se deben realizar esfuerzos de ingeniería únicos para abordar la extracción de energía del barrido ambiental, sino que muchas de esas necesidades pueden ser diferentes para cada método de EH. En otras palabras, la captura de energía bruta del transductor EH y las necesidades de conversión/gestión/regulación de energía son diferentes para la energía fotovoltaica (PV) que para los generadores termoeléctricos (TEG) o la recolección vibratoria. Incluso alimentar diferentes sabores de células fotovoltaicas puede variar mucho según la tecnología. El enfoque general tiende a ser impulsado por la naturaleza de la energía recolectada sin procesar, ya sea CC (PV, TEG) o CA (vibracional, triboeléctrica, RF).

Las células fotovoltaicas convierten directamente la energía de la luz del sol y/o de fuentes artificiales, mientras que un TEG extrae energía de un diferencial de temperatura para generar energía eléctrica. Las fuentes vibratorias (electrodinámicas o piezoeléctricas) y triboeléctricas se derivan del movimiento físico. La captura de RF generalmente implica el uso de una antena rectificadora (rectenna) y una red de equilibrio, y luego, como es común, alimentarla a un bloque de conversión CC/CC.

Una solución de sistema óptima habilitada para EH puede requerir un seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) y/o una coincidencia de impedancia cuidadosamente controlada para alcanzar completamente su máximo potencial de energía. Además, muchas energías ambientales se encuentran en niveles de potencia y voltaje muy bajos. La mayoría de los circuitos integrados de administración de energía (PMIC) disponibles comercialmente (COTS) son incapaces de convertir energías por debajo de 10 μW y 100 mV en electricidad utilizable. Un ejemplo de los esfuerzos impulsados ​​por la comunidad de investigación para resolver esto es la plataforma MISCHIEF que está desarrollando el Instituto Nacional Tyndall (Cork, Irlanda). MISCHIEF es un PMIC innovador de alta eficiencia y baja corriente de reposo capaz de manejar una gama sin precedentes de energías ambientales, particularmente en el dominio de menos de 10 μW que hasta ahora eran inutilizables. Es modular y altamente configurable, por lo que es fácil agregar nuevos bloques de circuitos y/o ajustar rangos de puntos de ajuste. También tiene una interfaz digital que le permite interactuar con otros componentes para ajustar dinámicamente su modo de operación (reposo, espera, detección, transmisión, proceso). Esto minimiza su consumo de energía mientras satisface las necesidades de la aplicación.

El almacenamiento de energía es fundamental para las fuentes de energía intermitentes, ya que proporciona un búfer para manejar la demanda pico, por lo que la fuente de energía ascendente solo tiene que satisfacer las necesidades de estado estable del sistema en lugar de las demandas de energía pico en el peor de los casos.

Creación de un ecosistema EH

Los colaboradores de las comunidades Power IoT y EH (desarrolladores, fabricantes de materiales y dispositivos, así como instaladores, integradores y usuarios finales) han tendido a trabajar en entornos aislados. Sin embargo, para que EH tenga una penetración exitosa en las aplicaciones principales, la gente de transductores de EH tendrá que trabajar en estrecha colaboración con la gente de administración de energía y almacenamiento de energía, y mucho menos con los muchos otros proveedores y usuarios finales de componentes de sistemas de baja potencia. Esto es particularmente cierto para muchas de las redes de sensores, aplicaciones de tipo de baja potencia en las que se centra este artículo.

En el Poder .

Referencias:

i. https://www.enables-project.eu/wp-content/uploads/2021/02/EnABLES_ResearchInfrastructure_PositionPaper.pdf

ii. http://www.enerharv.com/

iii. https://www.psma.com/technical-forums/energy-harvesting

IV. M. Hayes y B. Zahnstecher, "El círculo virtuoso de 5G, IoT y recolección de energía", en Revista IEEE Power Electronics , vol. 8, núm. 3 de septiembre de 2021