Autor: Tristan Cool, director de marketing de productos, Silicon Labs
La captación o recolección de energía no es un concepto nuevo en ingeniería eléctrica. La incursión más exitosa en la recolección de energía es la energía solar, que a lo largo de las décadas se ha ampliado para generar electricidad de forma económica para las empresas de suministros y se ha reducido para alimentar drones, cargadores de baterías e iluminación de jardín. Hoy en día, muchas formas alternativas de recolección de energía se están volviendo viables, gracias a los avances simultáneos en la tecnología de sensores, los procesadores de consumo ultrabajo, los modelos ligeros de inteligencia artificial (IA) y los pequeños dispositivos electrónicos como los wearables médicos, todos los cuales ayudan a aprovechar estas tendencias emergentes.
Si bien la energía solar y eólica son comunes y están muy extendidas, hay muchos otros fenómenos físicos que pueden convertirse en energía eléctrica, como por ejemplo las ondas de radiofrecuencia, las vibraciones físicas (energía cinética), los campos magnéticos y los gradientes térmicos.
Pero la pregunta es: ¿por qué no se han utilizado o aprovechado estas fuentes antes?
La razón principal es que estas fuentes tienden a proporcionar cantidades bastante modestas de energía, solo unos pocos microjulios (µJ). Sin embargo, con la evolución y las mejoras continuas en la electrónica de ultrabajo consumo, incluso estas pequeñas cantidades pueden ser útiles para complementar la energía de las baterías y prolongar su vida útil.
De hecho, el Internet de las cosas (IoT) comprende el mayor número de aplicaciones potenciales para la recolección de energía. Hay cientos, si no miles, de dispositivos IoT que actualmente funcionan con baterías, y estos dispositivos alimentados por baterías serán los que más se beneficien de la captación de energía suplementaria.
Además, con el tiempo, algunos de estos dispositivos podrían incluso rediseñarse para funcionar únicamente con energía recolectada. A medida que las técnicas de recolección de energía se vuelven más eficientes en la conversión de la energía ambiental en electricidad, cada vez es más posible que la electrónica de ultrabajo consume funcione íntegramente con energía recolectada. Este desarrollo es lo que denominamos IoT ambiental, una clase de dispositivos conectados de consumo ultrabajo que funcionan sin depender de la alimentación por cable ni de baterías.
El IoT ambiental tiene varias ventajas atractivas, entre las que se incluyen:
- Aumentar la flexibilidad de la instalación (sin necesidad de toma de corriente).
- Eliminación del coste de las baterías.
- Reducción del coste de mantenimiento (no es necesario sustituir las baterías).
- Aumento de la fiabilidad.
- Ampliación de la vida útil del dispositivo
- Reducción del impacto medioambiental (sin consumo de la red eléctrica; minimiza la necesidad de extraer materiales; elimina los residuos de baterías)
- Menos restricciones de envío en comparación con los dispositivos con baterías
Algunas de las muchas aplicaciones existentes que podrían rediseñarse para aprovechar la recolección de energía incluyen dispositivos domésticos inteligentes, como interruptores y cerraduras inalámbricas, edificios inteligentes, seguimiento de activos, medición inteligente y automatización de fábricas. Es probable que, a medida que el IoT siga evolucionando, los avances en la captación de energía y el IoT ambiental den lugar a aplicaciones de IoT completamente nuevas.
Dispositivos de IoT ambiental
A día de hoy, la tecnología fotovoltaica (PV) es el método más utilizado para la recolección de energía. Esto se debe principalmente a que la tecnología PV está bien establecida, es fiable y ha demostrado funcionar de forma consistente tanto en entornos interiores como exteriores.
Un sistema típico de recolección de energía basada en la luz comienza con una célula fotovoltaica que convierte la luz en energía eléctrica. La eficiencia de esta conversión depende de la intensidad de la luz, el ángulo y el material de la célula.
Cualquier sistema que funcione con energía fotovoltaica también requerirá un circuito integrado de gestión de energía (PMIC) para gestionar el voltaje, aumentar la potencia y realizar el seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) para optimizar la captura de energía.
Los diseñadores de productos IoT ambientales no pueden dar por sentado que las propiedades físicas que están aprovechando estarán disponibles de forma continua. Sin duda, ese no será el caso cuando se dependa de la luz solar. Cualquier fuente ambiental podría ser, y probablemente será, intermitente. Es casi seguro que será necesario algún tipo de almacenamiento. Las opciones de almacenamiento incluyen:
- Supercondensadores
- Condensadores de película fina
- Condensadores de estado sólido
- Condensadores híbridos de litio
- Baterías recargables
- Baterías impresas
La elección dependerá principalmente del perfil energético y del ciclo de trabajo de la aplicación específica.
Por último, todos los sistemas IoT ambientales tendrán una carga, que se refiere al sistema embebido que consume energía, como un nodo sensor o un transmisor inalámbrico.
Diseño de IoT ambiental
Hay muchas aplicaciones de sensores en las que los datos se generan solo de forma intermitente, o en las que los datos recopilados solo deben comunicarse a intervalos poco frecuentes. Estas aplicaciones son candidatas ideales para los dispositivos IoT ambientales, ya que no requieren un enlace de comunicaciones siempre activo. De hecho, los módulos de comunicaciones de estos dispositivos solo necesitan estar activos o «encendidos» ocasionalmente.
Por lo tanto, los dos protocolos de RF más obviamente aplicables que se pueden utilizar en estos dispositivos de consumo ultrabajo son Bluetooth Low Energy (LE) y Zigbee Green Power, ya que ambos están diseñados para consumir la mínima energía posible.
Si lo analizamos más detenidamente, hay dos características o especificaciones que más benefician a las aplicaciones de IoT ambiental: el arranque en frío ultrarrápido y de bajo consumo y el despertar del modo de suspensión profunda (deep sleep).
El arranque en frío ultrarrápido y de bajo consumo permite que estas aplicaciones se inicien desde un estado de energía cero para transmitir paquetes y luego volver inmediatamente al modo de suspensión. Por ejemplo, el dispositivo xG22E de Silicon Labs se activa en solo ocho milisegundos y consume solo 150 µJ, lo que equivale aproximadamente al 0,003 % de la energía necesaria para alimentar una bombilla LED equivalente a 60 vatios durante un segundo.
Otra característica clave para ahorrar energía en aplicaciones de IoT ambientales es la opción de despertar del modo de suspensión profunda, como RFSense, GPIO y RTC, que pueden despertar estas fuentes incluso desde el modo de suspensión EM4 más profundo.
Además, para apoyar y acelerar el desarrollo de dispositivos alimentados por captación de energía, cada vez hay más entornos de diseño disponibles para el IoT ambiental, lo que permite a los diseñadores comparar eficazmente el uso de diferentes opciones de protocolos de RF.
Además, los modos de energía eficientes permiten transiciones fluidas entre los modos de energía, al tiempo que minimizan los picos de corriente o las corrientes de arranque que, de otro modo, podrían dañar la capacidad de almacenamiento de energía.
Cuanta más flexibilidad ofrezca un entorno de desarrollo, mejor. Aunque la energía fotovoltaica es la fuente de energía más común, no hay razón para que ningún diseño se limite a una sola. Los entornos de diseño deben permitir a los ingenieros evaluar más de una fuente para recolectar simultáneamente, incluyendo cualquier combinación de luz interior o exterior, gradientes térmicos y ondas electromagnéticas, sin comprometer la eficiencia de la conversión de energía.
En general, cuanto más amplia sea la gama de fuentes que admite un entorno de diseño y que permite explorar a los ingenieros, como el calor, el movimiento y la energía pulsada aleatoria, mejor.
Por último, pero no por ello menos importante, los ingenieros que trabajan con el IoT ambiental se beneficiarán de un entorno de diseño que les permita experimentar con diferentes opciones de almacenamiento de energía, incluyendo químicas alternativas para baterías y supercondensadores. Esto permitirá optimizar el rendimiento en una amplia gama de aplicaciones.
Conclusión
La recolección de energía parece un concepto nicho, pero no es así. Si bien la energía eólica y solar (fotovoltaica) son los ejemplos más comunes, otras formas de recolección de energía se basan en principios bien conocidos y están respaldadas por una variedad de sensores que están listos para su producción.
El futuro de la captación de energía incluirá aplicaciones que obtengan energía de fuentes mucho más allá de la solar y la eólica, tanto a nivel macro como micro. A nivel macro, los sistemas de frenado regenerativo de algunos vehículos híbridos y eléctricos (VE) son un ejemplo. Estos sistemas capturan una parte de la energía cinética que, de otro modo, se liberaría en forma de calor durante el frenado y la convierten en energía utilizable para recargar las baterías de los vehículos.
A nivel micro, se utilizan diversas técnicas de recolección de energía en una amplia gama de productos, algunas para complementar la energía de las baterías y otras como única fuente de energía. Entre ellas se incluyen los dispositivos de seguimiento de la actividad física, los sistemas de automatización industrial, los sensores de presión de los neumáticos y las etiquetas RFID.
De cara al futuro, los modelos de IA a escala reducida están permitiendo avances significativos en el rendimiento y la funcionalidad de los procesadores embebidos que operan con recursos informáticos extremadamente modestos en comparación con una CPU o GPU común, o incluso con las generaciones anteriores de procesadores embebidos. De hecho, la IA se utiliza ahora para ayudar a los dispositivos a determinar si deben activarse o no, lo que garantiza que estos dispositivos IoT solo consuman energía cuando sea absolutamente necesario.
La disponibilidad de una IA cada vez más ligera está creando, por supuesto, un incentivo para diseñar dispositivos aún más avanzados, ligeros y con un consumo energético excepcionalmente bajo, lo que a su vez hace que merezca la pena considerar métodos de recolección de energía que antes no eran prácticos debido a su escaso rendimiento.
La capacidad de funcionar en entornos con restricciones energéticas se perfila como transformadora. Las investigaciones iniciales demuestran que, con un perfilado adecuado y unas compensaciones de diseño, estos sistemas pueden alcanzar la autosuficiencia, como lo demuestra la corriente neta negativa durante los ciclos completos de transmisión-suspensión. Esto no solo valida la viabilidad de la arquitectura de recolección de energía, sino que también enfatiza la importancia de seleccionar componentes de bajo consumo y optimizar continuamente el comportamiento del firmware en función de la disponibilidad de energía en tiempo real.
El uso de supercondensadores y soluciones de almacenamiento híbridas mejora aún más la resiliencia del sistema, especialmente durante los periodos de poca luz. A medida que el IoT ambiental sigue ganando terreno, el futuro del IoT sin baterías no solo es prometedor, sino que ya está al alcance de la mano.
