La recolección de energía desbloquea 1 billón de sensores IoT sin baterías

Los dispositivos de detección IoT inalámbricos pueden colocarse 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, ante todo, cuidar la salud y el bienestar de una población que envejece. Sin embargo, para lograr esto, debemos abordar la brecha de 'alimentación del 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 alimentadas por recolección de energía (EH) pueden proporcionar para el IoT. De los billones de sensores que podrían desplegarse en los próximos años, una mayoría significativa será de la variedad inalámbrica de ultra-bajo consumo (ULP). Estos también son los mejores candidatos para EH, que puede complementar la energía externa o servir como fuentes de energía independientes.

El enfoque que tomamos para alimentar el IoT es crítico para permitir tantas tecnologías que cambian nuestro mundo cada día. Por ejemplo, los vehículos conectados y autónomos (CAV), dependerán de detección fiable y ubicua con conectividad de alto y bajo ancho de banda, todo lo cual requiere mayor densidad de potencia y reducción de peso —dos cosas que las redes de sensores inalámbricos autoalimentados soportan.

Costo

Un valor añadido importante de EH es proporcionar/suplementar energía del sistema en el punto de consumo capturando 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 retorno. Por ejemplo, agregar $3–5 a la lista de materiales del sistema para capacidades EH podría parecer una locura comparado con una pila de botón desechable que cuesta aproximadamente $0.25 al por mayor. Incluso descuidando factores ambientales y de sostenibilidad, hay mucho que considerar en el análisis financiero. Si esa batería alguna vez necesita ser reemplazada, los costos de mano de obra/acceso-logística por sí solos pueden obliterar los ahorros de la pila de botón por órdenes de magnitud —y ni hablar si esa batería está en un entorno hostil y/o inaccesible, como una pared de concreto, techo alto, cuerpo humano o pozo petrolífero profundo.

Energía ambiental

EH implica usar energías ambientales disponibles —calor, vibraciones, luz— como fuentes de energía. Existe un punto óptimo, desde alrededor de un microwatio hasta unos pocos cientos de microwatts, donde hay un 'doble impacto' de significativamente menos drenaje en la fuente de energía existente y mayor viabilidad para usar energías ambientales de cosechadores de tamaño razonable. Esto puede aumentar significativamente la vida de la batería, en algunos casos incluso llevando a autonomía energética completa. (Esto se discute en una publicación reciente de la UE y se ilustra en la Figura 1. ⁱ)

Un desafío clave al integrar EH en el diseño de sistemas es lidiar con fuentes de energía que pueden ser bastante esporádicas. Necesitan dispositivos/circuitos de almacenamiento de energía y gestión de potencia para capturar la energía y hacerla disponible para uso posterior. No solo hay esfuerzos únicos de ingeniería para abordar la extracción de energía del scavenging ambiental, sino que muchas de esas necesidades pueden ser diferentes para cada método de EH. En otras palabras, la captura de energía cruda del transductor EH y las necesidades de conversión/gestión/regulación de potencia son diferentes para fotovoltaicos (FV) que para generadores termoeléctricos (GTE) o recolección vibracional. Incluso alimentar diferentes tipos de celdas FV puede variar mucho según la tecnología. El enfoque general tiende a estar impulsado por la naturaleza de la energía cruda recolectada, ya sea DC (FV, GTE) o AC (vibracional, triboeléctrica, RF).

Las celdas FV convierten directamente energía lumínica del sol y/o fuentes artificiales, mientras que un GTE extrae energía de un diferencial de temperatura para generar energía eléctrica. Las fuentes vibracionales (electrodinámicas o piezoeléctricas) y triboeléctricas derivan del movimiento físico. La captura RF típicamente implica el uso de una antena rectificadora (rectena) y red de balanceo, y luego, como es común, alimentándola a un bloque de conversión DC/DC.

Una solución de sistema óptima habilitada para EH puede requerir seguimiento de punto de máxima potencia (MPPT) y/o matching de impedancia cuidadosamente controlado para realizar plenamente su potencial energético máximo. Además, muchas energías ambientales están en niveles de potencia y voltaje muy bajos. La mayoría de los CI de gestión de potencia comerciales (PMIC) son incapaces de convertir energías por debajo de 10 μW y 100 mV a electricidad utilizable. Un ejemplo de esfuerzos impulsados por la comunidad investigadora para resolver esto es la plataforma MISCHIEF desarrollada por el Instituto Nacional Tyndall (Cork, Irlanda). MISCHIEF es un PMIC innovador de alta eficiencia, corriente de reposo baja, capaz de manejar un rango sin precedentes de energías ambientales particularmente en el dominio sub-10 μW que hasta ahora eran inutilizables. Es modular y altamente configurable para que sea fácil agregar nuevos bloques de circuito 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, sensar, transmitir, procesar). Esto minimiza su consumo de energía mientras cumple con las necesidades de la aplicación.

El almacenamiento de energía es crítico para fuentes de energía intermitentes, ya que proporciona un búfer para manejar demanda pico, de modo que la fuente de energía upstream solo tiene que proveer para las necesidades de estado estable del sistema en lugar de demandas de potencia pico en el peor caso.

Creando un ecosistema EH

Contribuyentes a las comunidades de 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 mayor en aplicaciones principales, los fabricantes de transductores EH tendrán que trabajar estrechamente con los de gestión de potencia y almacenamiento de energía, por no mencionar a los muchos otros proveedores de componentes de sistemas de bajo consumo y usuarios finales. Esto es particularmente cierto para muchas de las aplicaciones de redes de sensores, tipo baja potencia en las que se enfoca este artículo.

En el Power .

Referencias:

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

ii. https://www.enerharv.com/ 

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

iv. M. Hayes y B. Zahnstecher, "The Virtuous Circle of 5G, IoT and Energy Harvesting," en IEEE Power Electronics Magazine, vol. 8, no. 3, sept. 2021