Recolección de energía

Recolectar energía de fuentes externas.

La recolección de energía ( EH ), también conocida como recolección de energía, recolección de energía o energía ambiental , es el proceso mediante el cual la energía se deriva de fuentes externas (por ejemplo, energía solar , energía térmica , energía eólica , gradientes de salinidad y energía cinética , también conocida como energía ambiental ), luego se almacena para su uso en pequeños dispositivos autónomos inalámbricos, como los utilizados en electrónica portátil , monitoreo de condición, ^[1] y redes de sensores inalámbricos . ^[2]

Los recolectores de energía suelen proporcionar una cantidad muy pequeña de energía para los dispositivos electrónicos de baja energía. Mientras que el combustible de entrada para cierta generación de energía a gran escala cuesta recursos (petróleo, carbón, etc.), la fuente de energía para los recolectores de energía está presente como fondo ambiental. Por ejemplo, existen gradientes de temperatura debido al funcionamiento de un motor de combustión y en las zonas urbanas hay una gran cantidad de energía electromagnética en el medio ambiente debido a la transmisión de radio y televisión.

Uno de los primeros ejemplos de utilización de energía ambiental para producir electricidad fue el uso exitoso de radiación electromagnética (EMR) para generar la radio de cristal .

Los principios de recolección de energía a partir de EMR ambiental se pueden demostrar con componentes básicos. ^[3]

Operación

Los dispositivos de recolección de energía que convierten la energía ambiental en energía eléctrica han atraído mucho interés tanto en el sector militar como en el comercial. Algunos sistemas convierten el movimiento, como el de las olas del océano, en electricidad para ser utilizada por sensores de seguimiento oceanográfico para su funcionamiento autónomo. Las aplicaciones futuras pueden incluir dispositivos de salida de alta potencia (o conjuntos de dichos dispositivos) implementados en ubicaciones remotas para servir como centrales eléctricas confiables para sistemas grandes. Otra aplicación es la electrónica portátil, donde los dispositivos de recolección de energía pueden alimentar o recargar teléfonos celulares, computadoras móviles y equipos de comunicación por radio. Todos estos dispositivos deben ser lo suficientemente robustos para soportar una exposición prolongada a entornos hostiles y tener un amplio rango de sensibilidad dinámica para explotar todo el espectro de movimientos ondulatorios. Además, una de las últimas técnicas para generar energía eléctrica a partir de ondas de vibración es la utilización de Auxetic Boosters . ^[4] Este método entra en la categoría de recolección de energía por vibración basada en piezoeléctricos (PVEH), donde la energía eléctrica recolectada se puede utilizar directamente para alimentar sensores inalámbricos, cámaras de monitoreo y otros dispositivos de Internet de las cosas (IoT).

Acumulando energía

También se puede recolectar energía para alimentar pequeños sensores autónomos, como los desarrollados con tecnología MEMS . Estos sistemas suelen ser muy pequeños y requieren poca energía, pero sus aplicaciones están limitadas por la dependencia de la energía de la batería. Aprovechar la energía de las vibraciones ambientales, el viento, el calor o la luz podría permitir que los sensores inteligentes funcionen indefinidamente.

Las densidades de energía típicas disponibles en los dispositivos de recolección de energía dependen en gran medida de la aplicación específica (que afecta el tamaño del generador) y el diseño mismo del generador de recolección. En general, para dispositivos accionados por movimiento, los valores típicos son unos pocos μW/cm ³ para aplicaciones accionadas por el cuerpo humano y cientos de μW/cm ³ para generadores accionados por maquinaria. ^[5] La mayoría de los dispositivos electrónicos portátiles que absorben energía generan muy poca energía. ^{[6] [ se necesita verificación ]}

Almacenamiento de poder

En general, la energía se puede almacenar en un condensador , supercondensador o batería . Los condensadores se utilizan cuando la aplicación necesita proporcionar grandes picos de energía. Las baterías pierden menos energía y, por lo tanto, se utilizan cuando el dispositivo necesita proporcionar un flujo constante de energía. Estos aspectos de la batería dependen del tipo que se utilice. Un tipo común de batería que se utiliza para este propósito es la batería de plomo ácido o de iones de litio, aunque los tipos más antiguos, como el hidruro metálico de níquel, todavía se usan ampliamente en la actualidad. En comparación con las baterías, los supercondensadores tienen ciclos de carga y descarga prácticamente ilimitados y, por lo tanto, pueden funcionar indefinidamente, lo que permite un funcionamiento sin mantenimiento en dispositivos de sensores inalámbricos y de IoT. ^[7]

uso del poder

El interés actual en la recolección de energía de baja potencia se centra en las redes de sensores independientes. En estas aplicaciones, un esquema de recolección de energía coloca la energía almacenada en un capacitor y luego la aumenta/regula a un segundo capacitor de almacenamiento o batería para usar en el microprocesador ^[8] o en la transmisión de datos. ^[9] La energía generalmente se usa en una aplicación de sensor y los datos se almacenan o transmiten , posiblemente a través de un método inalámbrico. ^[10]

Motivación

Una de las principales fuerzas impulsoras detrás de la búsqueda de nuevos dispositivos de recolección de energía es el deseo de alimentar redes de sensores y dispositivos móviles sin baterías que necesiten carga o servicio externo. Las baterías tienen varias limitaciones, como vida útil limitada, impacto ambiental, tamaño, peso y costo. Los dispositivos de recolección de energía pueden proporcionar una fuente de energía alternativa o complementaria para aplicaciones que requieren un bajo consumo de energía, como la detección remota , la electrónica portátil, el monitoreo de condiciones y las redes de sensores inalámbricos. Los dispositivos de recolección de energía también pueden extender la vida útil de la batería o permitir el funcionamiento sin batería de algunas aplicaciones. ^[11]

Otra motivación para la recolección de energía es la posibilidad de abordar la cuestión del cambio climático reduciendo las emisiones de gases de efecto invernadero y el consumo de combustibles fósiles. Los dispositivos de recolección de energía pueden utilizar fuentes de energía renovables y limpias que son abundantes y ubicuas en el medio ambiente, como la energía solar, térmica, eólica y cinética. Los dispositivos de recolección de energía también pueden reducir la necesidad de sistemas de transmisión y distribución de energía que causan pérdidas de energía e impactos ambientales. Por lo tanto, los dispositivos de recolección de energía pueden contribuir al desarrollo de un sistema energético más sostenible y resiliente. ^[12]

Investigaciones recientes sobre recolección de energía han llevado a la innovación de dispositivos capaces de alimentarse a sí mismos a través de las interacciones del usuario. Ejemplos notables incluyen game boys sin batería ^[13] y otros juguetes, ^[14] que muestran el potencial de los dispositivos alimentados por la energía generada por las acciones del usuario, como presionar botones o girar perillas. Estos estudios destacan cómo la energía obtenida de las interacciones no solo puede alimentar los dispositivos en sí, sino también ampliar su autonomía operativa, promoviendo el uso de fuentes de energía renovables y reduciendo la dependencia de las baterías tradicionales.

Fuentes de energia

Hay muchas fuentes de energía a pequeña escala que generalmente no pueden ampliarse al tamaño industrial en términos de producción comparable a la energía solar, eólica o undimotriz de tamaño industrial:

• Algunos relojes de pulsera funcionan con energía cinética (llamados relojes automáticos ) generada mediante el movimiento del brazo al caminar. El movimiento del brazo provoca que se dé cuerda al resorte real del reloj . Otros diseños, como el Kinetic de Seiko , utilizan un imán permanente interno suelto para generar electricidad.
• La energía fotovoltaica es un método de generación de energía eléctrica mediante la conversión de la radiación solar en electricidad de corriente continua utilizando semiconductores que exhiben el efecto fotovoltaico . La generación de energía fotovoltaica emplea paneles solares compuestos por varias células que contienen un material fotovoltaico. La energía fotovoltaica se ha ampliado hasta alcanzar un tamaño industrial y ahora existen granjas solares a gran escala.
• Los generadores termoeléctricos (TEG) consisten en la unión de dos materiales diferentes y la presencia de un gradiente térmico. Las salidas de alto voltaje son posibles conectando muchas uniones eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo. El rendimiento típico es de 100 a 300 μV/K por unión. Estos se pueden utilizar para capturar mW de energía de equipos industriales, estructuras e incluso del cuerpo humano. Por lo general, se combinan con disipadores de calor para mejorar el gradiente de temperatura.
• Las microturbinas eólicas se utilizan para recolectar energía cinética fácilmente disponible en el medio ambiente en forma de viento para alimentar dispositivos electrónicos de baja potencia, como nodos sensores inalámbricos. Cuando el aire fluye a través de las palas de la turbina, se desarrolla una diferencia de presión neta entre las velocidades del viento por encima y por debajo de las palas. Esto dará como resultado una fuerza de elevación generada que a su vez hace girar las palas. Al igual que la energía fotovoltaica, los parques eólicos se han construido a escala industrial y se utilizan para generar cantidades sustanciales de energía eléctrica.
• Los cristales o fibras piezoeléctricos generan un pequeño voltaje cada vez que se deforman mecánicamente. La vibración de los motores puede estimular los materiales piezoeléctricos, al igual que el tacón de un zapato o presionar un botón.
• Antenas especiales pueden recolectar energía de ondas de radio perdidas. ^[15] Esto también se puede hacer con una Rectenna y, teóricamente, con radiación EM de frecuencia aún mayor con una Nantenna .
• Para ayudar a alimentar el dispositivo se puede utilizar la energía de las teclas presionadas durante el uso de un dispositivo electrónico portátil o un control remoto, utilizando un imán y una bobina o convertidores de energía piezoeléctricos. ^[dieciséis]
• La recolección de energía por vibración, basada en la inducción electromagnética , utiliza un imán y una bobina de cobre en las versiones más simples para generar una corriente que puede convertirse en electricidad.
• La humedad cargada eléctricamente produce electricidad en Air-gen, un dispositivo basado en nanoporos inventado por un grupo de la Universidad de Massachusetts en Amherst dirigido por Jun Yao. ^[17]

Fuentes de radiación ambiental

Una posible fuente de energía proviene de transmisores de radio ubicuos. Históricamente, se necesita una gran área de recolección o una proximidad cercana a la fuente de energía inalámbrica radiante para obtener niveles de potencia útiles de esta fuente. La nantenna es una propuesta de desarrollo que superaría esta limitación aprovechando la abundante radiación natural (como la radiación solar ).

Una idea es transmitir deliberadamente energía de RF para alimentar y recopilar información de dispositivos remotos. ^[9] Esto es ahora un lugar común en los sistemas de identificación pasiva por radiofrecuencia (RFID), pero la Comisión Federal de Seguridad y Comunicaciones de EE. UU. (y organismos equivalentes en todo el mundo) limitan la potencia máxima que se puede transmitir de esta manera para uso civil. Este método se ha utilizado para alimentar nodos individuales en una red de sensores inalámbricos. ^{[18] [7]}

flujo de fluido

Varias tecnologías de generadores con y sin turbina pueden captar el flujo de aire. Las turbinas eólicas elevadas y los sistemas de energía eólica aerotransportada (AWES) aprovechan el flujo de aire. Varias empresas están desarrollando estas tecnologías, que pueden funcionar en entornos con poca luz, como conductos HVAC, y pueden ampliarse y optimizarse para los requisitos energéticos de aplicaciones específicas.

El flujo de sangre también se puede utilizar para alimentar dispositivos. Por ejemplo, un marcapasos desarrollado en la Universidad de Berna utiliza el flujo sanguíneo para hacer girar un resorte, que luego acciona un microgenerador eléctrico. ^[19]

La recolección de energía del agua ha experimentado avances en el diseño, como generadores con arquitectura similar a un transistor, que logran una alta eficiencia de conversión de energía y densidad de potencia. ^{[20] [21]}

fotovoltaico

La tecnología inalámbrica de recolección de energía fotovoltaica (PV) ofrece ventajas significativas sobre las soluciones de sensores cableados o que funcionan únicamente con baterías: fuentes de energía prácticamente inagotables con pocos o ningún efecto ambiental adverso. Hasta la fecha, las soluciones de recolección de energía fotovoltaica para interiores han sido impulsadas por silicio amorfo (aSi), una tecnología especialmente adaptada que se utiliza con mayor frecuencia en las calculadoras solares. En los últimos años, nuevas tecnologías fotovoltaicas han pasado a la vanguardia de la captación de energía, como las células solares sensibilizadas por tinte ( DSSC ). Los tintes absorben la luz de forma muy parecida a como lo hace la clorofila en las plantas. Los electrones liberados en el impacto escapan a la capa de TiO ₂ y desde allí se difunden a través del electrolito, ya que el tinte se puede sintonizar con el espectro visible, se puede producir una potencia mucho mayor. A 200 lux, un DSSC puede proporcionar más de 10 μW por cm ² .

Imagen de un interruptor de pared inalámbrico y sin batería

Piezoeléctrico

El efecto piezoeléctrico convierte la tensión mecánica en corriente o voltaje eléctrico. Esta cepa puede provenir de muchas fuentes diferentes. El movimiento humano, las vibraciones sísmicas de baja frecuencia y el ruido acústico son ejemplos cotidianos. Excepto en raras ocasiones, el efecto piezoeléctrico opera en CA y requiere entradas variables en el tiempo en resonancia mecánica para ser eficiente.

La mayoría de las fuentes de electricidad piezoeléctrica producen energía del orden de milivatios, demasiado pequeña para la aplicación del sistema, pero suficiente para dispositivos portátiles como algunos relojes de pulsera automáticos disponibles comercialmente. Una propuesta es que se utilicen para dispositivos a microescala, como en un dispositivo que recolecta energía microhidráulica. En este dispositivo, el flujo de fluido hidráulico a presión impulsa un pistón alternativo sostenido por tres elementos piezoeléctricos que convierten las fluctuaciones de presión en una corriente alterna.

Como la recolección de energía piezoeléctrica se ha investigado sólo desde finales de la década de 1990, ^{[22] [23]} sigue siendo una tecnología emergente. Sin embargo, se han realizado algunas mejoras interesantes con el interruptor electrónico autoalimentado de la escuela de ingeniería INSA, implementado por la spin-off Arveni. En 2006, se creó la prueba de concepto de un pulsador de timbre inalámbrico sin batería y, recientemente, un producto demostró que el interruptor de pared inalámbrico clásico puede funcionar con un recolector piezoeléctrico. Otras aplicaciones industriales aparecieron entre 2000 y 2005, ^[24] para recolectar energía de vibraciones y alimentar sensores, por ejemplo, o para recolectar energía de impactos. ^[25]

Los sistemas piezoeléctricos pueden convertir el movimiento del cuerpo humano en energía eléctrica. DARPA ha financiado esfuerzos para aprovechar la energía del movimiento de piernas y brazos, los impactos de los zapatos y la presión arterial para obtener energía de bajo nivel para sensores implantables o portátiles. Los nanocepillos son otro ejemplo de recolector de energía piezoeléctrica. ^[26] Se pueden integrar en la ropa. Se han aprovechado muchas otras nanoestructuras para construir un dispositivo de recolección de energía; por ejemplo, en 2016 se fabricó y ensambló un nanocinturón PMN-PT de un solo cristal en un recolector de energía piezoeléctrico. ^[27] Se necesita un diseño cuidadoso para minimizar la incomodidad del usuario. Estas fuentes de recolección de energía por asociación afectan al cuerpo. El Proyecto de Eliminación de Energía de Vibraciones ^[28] es otro proyecto creado para tratar de eliminar la energía eléctrica de las vibraciones y movimientos ambientales. Microbelt se puede utilizar para recolectar electricidad de la respiración. ^[29] Además, como la vibración del movimiento humano viene en tres direcciones, se crea un único recolector de energía omnidireccional basado en voladizo piezoeléctrico mediante el uso de resonancia interna 1:2. ^[30] Por último, también se ha creado un recolector de energía piezoeléctrico a escala milimétrica. ^[31]

Se están incrustando elementos piezoeléctricos en las pasarelas ^{[32] [33] [34]} para recuperar la "energía de las personas" de los pasos. También se pueden incrustar en los zapatos ^[35] para recuperar la "energía al caminar". Investigadores del MIT desarrollaron el primer recolector de energía piezoeléctrica a microescala utilizando PZT de película delgada en 2005. ^[36] Arman Hajati y Sang-Gook Kim inventaron el dispositivo de recolección de energía piezoeléctrica a microescala de ancho de banda ultraancho aprovechando la rigidez no lineal de un dispositivo de recolección de energía piezoeléctrica a microescala. Resonador de sistemas microelectromecánicos sujetos ( MEMS ). La deformación por estiramiento en una viga doblemente sujeta muestra una rigidez no lineal, lo que proporciona una retroalimentación pasiva y da como resultado una resonancia en modo Duffing con amplitud reforzada. ^[37] Normalmente, se adoptan voladizos piezoeléctricos para el sistema de recolección de energía mencionado anteriormente. Un inconveniente es que el voladizo piezoeléctrico tiene una distribución de deformación en gradiente, es decir, el transductor piezoeléctrico no se utiliza por completo. Para abordar este problema, se proponen voladizos en forma de triángulo y en forma de L para una distribución uniforme de la deformación. ^{[38] [39] [40]}

En 2018, investigadores de la Universidad de Soochow informaron sobre la hibridación de un nanogenerador triboeléctrico y una célula solar de silicio compartiendo un electrodo mutuo. Este dispositivo puede recolectar energía solar o convertir la energía mecánica de las gotas de lluvia en electricidad. ^[41]

La empresa de telecomunicaciones británica Orange UK creó una camiseta y botas de recolección de energía. ^{[ ¿cuando? ]} Otras empresas también han hecho lo mismo. ^{[42] [43] [¿ importancia? ]}

Energía de carreteras inteligentes y piezoelectricidad

Celda unitaria tetragonal de titanato de plomo.

Un disco piezoeléctrico genera un voltaje cuando se deforma (el cambio de forma es muy exagerado)

Los hermanos Pierre Curie y Jacques Curie dieron el concepto de efecto piezoeléctrico en 1880. ^[44] El efecto piezoeléctrico convierte la tensión mecánica en voltaje o corriente eléctrica y genera energía eléctrica a partir de cambios de movimiento, peso, vibración y temperatura, como se muestra en la figura.

Teniendo en cuenta el efecto piezoeléctrico en la película delgada de titanato de circonato de plomo PZT, se ha desarrollado un dispositivo de generación de energía con sistemas microelectromecánicos ( MEMS ). Durante la reciente mejora en la tecnología piezoeléctrica, Aqsa Abbasi ^{[45] [46] [47] [48] [49]} ) diferenció dos modos llamados y en convertidores de vibración y los rediseñó para resonar en frecuencias específicas desde una fuente de energía de vibración externa, por lo tanto creación de energía eléctrica a través del efecto piezoeléctrico utilizando masa amortiguada electromecánica. ^[50] Sin embargo, Aqsa desarrolló aún más dispositivos electrostáticos con estructura de haz que son más difíciles de fabricar que los dispositivos PZT MEMS en comparación con dispositivos similares porque el procesamiento general del silicio implica muchos más pasos de máscara que no requieren película PZT. Los sensores y actuadores de tipo piezoeléctrico tienen una estructura de haz en voladizo que consta de un electrodo inferior de membrana , una película, una película piezoeléctrica y un electrodo superior. Se requieren más de (3 a 5 máscaras) pasos de máscara para crear patrones en cada capa y al mismo tiempo tener un voltaje inducido muy bajo. Cristales piroeléctricos que tienen un eje polar único y tienen polarización espontánea, a lo largo del cual existe la polarización espontánea. Estos son los cristales de clases 6mm , 4mm , mm2 , 6 , 4 , 3m , 3 , 2 , m . El eje polar especial, el eje cristalofísico X3 , coincide con los ejes L6 , L4 , L3 y L2 de los cristales o se encuentra en el único plano recto P (clase "m") . En consecuencia, los centros eléctricos de las cargas positivas y negativas de una celda elemental se desplazan de sus posiciones de equilibrio, es decir, cambia la polarización espontánea del cristal. Por tanto, todos los cristales considerados tienen polarización espontánea . Dado que el efecto piezoeléctrico en los cristales piroeléctricos surge como resultado de cambios en su polarización espontánea bajo influencias externas ( campos eléctricos , tensiones mecánicas). Como resultado del desplazamiento, Aqsa Abbasi introdujo cambios en los componentes a lo largo de los tres ejes . Supongamos que es proporcional a los esfuerzos mecánicos que provoca en una primera aproximación, lo que resulta donde Tkl representa el esfuerzo mecánico y ${\displaystyle Pb(Zr,Ti)O_{3}}$ ${\displaystyle d_{31}}$ ${\displaystyle d_{33}}$ ${\displaystyle d_{31}}$ ${\displaystyle Ps=P3}$ ${\displaystyle \Delta P_{s}}$ ${\displaystyle \Delta P_{s}=(\Delta P_{1},\Delta P_{2},\Delta P_{3})}$ ${\displaystyle \Delta P_{s}=(\Delta P_{1},\Delta P_{2},\Delta P_{3})}$ ${\displaystyle \Delta P_{i}=diklTkl}$dikl representa los módulos piezoeléctricos. ^[50]

Las películas delgadas de PZT han atraído la atención para aplicaciones como sensores de fuerza, acelerómetros , actuadores de giroscopios, ópticas sintonizables, microbombas, RAM ferroeléctrica, sistemas de visualización y carreteras inteligentes, ^[50] cuando las fuentes de energía son limitadas, la recolección de energía juega un papel importante en la ambiente. Las carreteras inteligentes tienen el potencial de desempeñar un papel importante en la generación de energía. La incorporación de material piezoeléctrico en la carretera puede convertir la presión ejercida por los vehículos en movimiento en voltaje y corriente. ^[50]

Sistema inteligente de transporte inteligente.

Los sensores piezoeléctricos son más útiles en tecnologías de carreteras inteligentes que pueden usarse para crear sistemas que sean inteligentes y mejoren la productividad a largo plazo. Imaginemos autopistas que alertan a los conductores sobre un atasco antes de que se forme. O puentes que informan cuando están en riesgo de colapsar, o una red eléctrica que se repara sola cuando ocurren apagones. Durante muchas décadas, científicos y expertos han sostenido que la mejor manera de combatir la congestión son los sistemas de transporte inteligentes, como sensores en las carreteras para medir el tráfico y semáforos sincronizados para controlar el flujo de vehículos. Pero la difusión de estas tecnologías se ha visto limitada por el costo. También hay otros proyectos de tecnología inteligente listos para implementar que podrían implementarse con bastante rapidez, pero la mayoría de las tecnologías aún están en la etapa de desarrollo y es posible que no estén disponibles en la práctica hasta dentro de cinco años o más. ^{[51] [ necesita actualización ]}

piroeléctrico

El efecto piroeléctrico convierte un cambio de temperatura en corriente o voltaje eléctrico. Es análogo al efecto piezoeléctrico , que es otro tipo de comportamiento ferroeléctrico . La piroelectricidad requiere entradas que varían en el tiempo y sufre pequeñas salidas de energía en aplicaciones de recolección de energía debido a sus bajas frecuencias de operación. Sin embargo, una ventaja clave de los piroeléctricos sobre los termoeléctricos es que muchos materiales piroeléctricos son estables hasta 1200 °C o más, lo que permite la recolección de energía de fuentes de alta temperatura y, por lo tanto, aumenta la eficiencia termodinámica .

Una forma de convertir directamente el calor residual en electricidad es ejecutando el ciclo de Olsen en materiales piroeléctricos. El ciclo de Olsen consta de dos procesos de campo isotérmico y dos procesos de campo isoeléctrico en el diagrama de desplazamiento eléctrico-campo eléctrico (DE). El principio del ciclo de Olsen es cargar un condensador mediante enfriamiento en un campo eléctrico bajo y descargarlo calentándolo en un campo eléctrico más alto. Se han desarrollado varios convertidores piroeléctricos para implementar el ciclo de Olsen mediante conducción, ^[52] convección, ^{[53] [54] [55] [56]} o radiación. ^[57] También se ha establecido teóricamente que la conversión piroeléctrica basada en la regeneración de calor utilizando un fluido de trabajo oscilante y el ciclo de Olsen puede alcanzar la eficiencia de Carnot entre un depósito térmico frío y caliente. ^[58] Además, estudios recientes han establecido que los polímeros de trifluoroetileno de fluoruro de polivinilideno [P(VDF-TrFE)] ^[59] y las cerámicas de titanato de circonato de lantano y plomo (PLZT) ^[60] son ​​materiales piroeléctricos prometedores para usar en convertidores de energía debido a su gran energía. densidades generadas a bajas temperaturas. Además, recientemente se introdujo un dispositivo de eliminación piroeléctrico que no requiere entradas variables en el tiempo. El dispositivo de recolección de energía utiliza el campo eléctrico despolarizante de borde de un piroeléctrico calentado para convertir la energía térmica en energía mecánica en lugar de extraer corriente eléctrica de dos placas unidas a las caras del cristal. ^[61]

Termoelectricos

Efecto Seebeck en una termopila hecha de alambres de hierro y cobre.

En 1821, Thomas Johann Seebeck descubrió que un gradiente térmico formado entre dos conductores diferentes produce un voltaje. En el centro del efecto termoeléctrico está el hecho de que un gradiente de temperatura en un material conductor da como resultado un flujo de calor; esto da como resultado la difusión de portadores de carga. El flujo de portadores de carga entre las regiones fría y caliente crea a su vez una diferencia de voltaje. En 1834, Jean Charles Athanase Peltier descubrió que hacer pasar una corriente eléctrica a través de la unión de dos conductores diferentes podía, dependiendo de la dirección de la corriente, hacer que actuara como calentador o refrigerador. El calor absorbido o producido es proporcional a la corriente y la constante de proporcionalidad se conoce como coeficiente de Peltier. Hoy en día, gracias al conocimiento de los efectos Seebeck y Peltier , los materiales termoeléctricos pueden utilizarse como calentadores, refrigeradores y generadores (TEG).

Los materiales termoeléctricos ideales tienen un alto coeficiente de Seebeck, alta conductividad eléctrica y baja conductividad térmica. Es necesaria una baja conductividad térmica para mantener un gradiente térmico alto en la unión. Los módulos termoeléctricos estándar que se fabrican hoy en día consisten en semiconductores de teluro de bismuto dopados con P y N intercalados entre dos placas cerámicas metalizadas. Las placas cerámicas aportan rigidez y aislamiento eléctrico al sistema. Los semiconductores están conectados eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo.

Se han desarrollado termopares en miniatura que convierten el calor corporal en electricidad y generan 40  μ W a 3  V con un gradiente de temperatura de 5 grados, mientras que en el otro extremo de la escala, se utilizan termopares grandes en las baterías nucleares RTG .

Ejemplos prácticos son el pulsómetro digital del Centro Holst y los termogeneradores de la Fraunhofer-Gesellschaft. ^{[62] [63]}

Ventajas de la termoeléctrica:

1. Ninguna pieza móvil permite un funcionamiento continuo durante muchos años.
2. Los termoeléctricos no contienen materiales que deban reponerse.
3. La calefacción y la refrigeración se pueden invertir.

Una desventaja de la conversión de energía termoeléctrica es su baja eficiencia (actualmente menos del 10%). El desarrollo de materiales que puedan operar en gradientes de temperatura más altos y que puedan conducir bien la electricidad sin conducir también el calor (algo que hasta hace poco se pensaba imposible ^{[ cita necesaria ]} ), dará como resultado una mayor eficiencia.

El trabajo futuro en termoeléctrica podría consistir en convertir el calor desperdiciado, como el de la combustión de los motores de los automóviles, en electricidad.

Electrostático (capacitivo)

Este tipo de recolección se basa en el cambio de capacitancia de condensadores dependientes de las vibraciones. Las vibraciones separan las placas de un condensador variable cargado y la energía mecánica se convierte en energía eléctrica. Los recolectores de energía electrostática necesitan una fuente de polarización para funcionar y convertir la energía mecánica de las vibraciones en electricidad. La fuente de polarización debe ser del orden de algunos cientos de voltios; esto complica enormemente el circuito de administración de energía. Otra solución consiste en utilizar electretos , que son dieléctricos cargados eléctricamente capaces de mantener la polarización del condensador durante años. Para ello es posible adaptar estructuras de generadores de inducción electrostáticos clásicos, que también extraen energía de capacitancias variables. Los dispositivos resultantes son autopolarizados y pueden cargar baterías directamente, o pueden producir voltajes que crecen exponencialmente en capacitores de almacenamiento, de los cuales se puede extraer energía periódicamente mediante convertidores CC/CC. ^[64]

Inducción magnética

La inducción magnética se refiere a la producción de una fuerza electromotriz (es decir, voltaje) en un campo magnético cambiante . Este campo magnético cambiante puede crearse mediante movimiento, ya sea rotación (es decir, efecto Wiegand y sensores Wiegand ) o movimiento lineal (es decir, vibración ). ^{[sesenta y cinco]}

Los imanes que se tambalean en un voladizo son sensibles incluso a vibraciones pequeñas y generan microcorrientes al moverse con respecto a los conductores debido a la ley de inducción de Faraday . Al desarrollar un dispositivo en miniatura de este tipo en 2007, un equipo de la Universidad de Southampton hizo posible su instalación en entornos que impiden cualquier conexión eléctrica con el mundo exterior. Los sensores ubicados en lugares inaccesibles ahora pueden generar su propia energía y transmitir datos a receptores externos. ^[66]

Una de las principales limitaciones del recolector de energía por vibración magnética desarrollado en la Universidad de Southampton es el tamaño del generador, en este caso aproximadamente un centímetro cúbico, que es demasiado grande para integrarlo en las tecnologías móviles actuales. El generador completo, incluidos los circuitos, mide 4 cm por 4 cm por 1 cm ^[66], casi del mismo tamaño que algunos dispositivos móviles como el iPod nano. Es posible reducir aún más las dimensiones mediante la integración de materiales nuevos y más flexibles como componente de la viga en voladizo. En 2012, un grupo de la Universidad Northwestern desarrolló un generador de vibración a partir de polímero en forma de resorte. ^[67] Este dispositivo pudo apuntar a las mismas frecuencias que el dispositivo basado en silicio del grupo de la Universidad de Southampton, pero con un tercio del tamaño del componente del haz.

También se ha propuesto un nuevo enfoque para la recolección de energía basada en inducción magnética mediante el uso de ferrofluidos. El artículo de la revista, "Recolector de energía electromagnético basado en ferrofluidos", analiza el uso de ferrofluidos para recolectar energía vibratoria de baja frecuencia a 2,2 Hz con una potencia de salida de ~80 mW por g. ^[68]

Muy recientemente, el cambio en el patrón de la pared del dominio con la aplicación de tensión se ha propuesto como un método para recolectar energía mediante inducción magnética. En este estudio, los autores han demostrado que la tensión aplicada puede cambiar el patrón de dominio en los microcables. Las vibraciones ambientales pueden causar tensión en los microcables, lo que puede inducir un cambio en el patrón de dominio y, por tanto, cambiar la inducción. Se ha informado de potencias del orden de uW/cm2. ^[69]

Los recolectores de energía vibratoria basados ​​en inducción magnética que tienen éxito comercial son todavía relativamente pocos. Los ejemplos incluyen productos desarrollados por la empresa sueca ReVibe Energy, una tecnología derivada del Grupo Saab . Otro ejemplo son los productos desarrollados por Perpetuum a partir de los primeros prototipos de la Universidad de Southampton. Estos deben ser lo suficientemente grandes para generar la energía requerida por los nodos de sensores inalámbricos (WSN), pero en aplicaciones M2M esto normalmente no es un problema. Estas recolectoras ahora se suministran en grandes volúmenes para alimentar WSN fabricadas por empresas como GE y Emerson y también para sistemas de monitoreo de rodamientos de trenes fabricados por Perpetuum. Los sensores de líneas eléctricas aéreas pueden utilizar inducción magnética para recolectar energía directamente del conductor que están monitoreando. ^{[70] [71]}

Glucemia

Otra forma de recolectar energía es mediante la oxidación del azúcar en sangre. Estos recolectores de energía se llaman biobaterías . Podrían utilizarse para alimentar dispositivos electrónicos implantados (por ejemplo, marcapasos, biosensores implantados para diabéticos, dispositivos RFID activos implantados, etc.). Actualmente, el Grupo Minteer de la Universidad de Saint Louis ha desarrollado enzimas que podrían usarse para generar energía a partir del azúcar en la sangre. Sin embargo, las enzimas aún tendrían que ser reemplazadas después de unos años. ^[72] En 2012, un marcapasos fue impulsado por células de biocombustible implantables en la Universidad de Clarkson bajo el liderazgo del Dr. Evgeny Katz. ^[73]

Basado en árboles

La recolección de energía metabólica de los árboles es un tipo de recolección de bioenergía. Voltree ha desarrollado un método para recolectar energía de los árboles. Estos recolectores de energía se están utilizando para alimentar sensores remotos y redes de malla como base para un sistema de implementación a largo plazo para monitorear los incendios forestales y el clima en el bosque. Según el sitio web de Voltree, la vida útil de un dispositivo de este tipo debería estar limitada únicamente por la vida útil del árbol al que está conectado. Recientemente se implementó una pequeña red de prueba en un bosque de un parque nacional de Estados Unidos. ^[74]

Otras fuentes de energía de los árboles incluyen capturar el movimiento físico del árbol en un generador. El análisis teórico de esta fuente de energía parece prometedor para alimentar pequeños dispositivos electrónicos. ^[75] Se construyó un dispositivo práctico basado en esta teoría y alimentó con éxito un nodo sensor durante un año. ^[76]

metamaterial

Un dispositivo basado en metamateriales convierte de forma inalámbrica una señal de microondas de 900 MHz en 7,3 voltios de corriente continua (más que la de un dispositivo USB). El dispositivo se puede sintonizar para captar otras señales, incluidas señales de Wi-Fi, señales de satélite o incluso señales de sonido. El dispositivo experimental utilizó una serie de cinco conductores de fibra de vidrio y cobre . La eficiencia de conversión alcanzó el 37 por ciento. Cuando las antenas tradicionales están cerca unas de otras en el espacio, interfieren entre sí. ^{[77] [78] [79]} Pero dado que la potencia de RF disminuye al cubo de la distancia, la cantidad de potencia es muy, muy pequeña. Si bien la afirmación de 7,3 voltios es grandiosa, la medida es para un circuito abierto. Dado que la potencia es tan baja, casi no puede haber corriente cuando se conecta alguna carga.

Cambios de presión atmosférica.

La presión de la atmósfera cambia naturalmente con el tiempo debido a los cambios de temperatura y los patrones climáticos. Los dispositivos con cámara sellada pueden aprovechar estas diferencias de presión para extraer energía. Esto se ha utilizado para proporcionar energía a relojes mecánicos como el reloj Atmos .

Energía oceánica

Un concepto relativamente nuevo de generación de energía es generar energía a partir de los océanos. En el planeta hay grandes masas de agua que transportan grandes cantidades de energía. En este caso, la energía puede ser generada por corrientes de marea, olas del océano, diferencia de salinidad y también diferencia de temperatura. A partir de 2018 ^[actualizar], se están realizando esfuerzos para recolectar energía de esta manera. Recientemente, la Marina de los Estados Unidos pudo generar electricidad utilizando la diferencia de temperaturas presentes en el océano. ^[80]

Un método para utilizar la diferencia de temperatura entre diferentes niveles de la termoclina en el océano es mediante el uso de un recolector de energía térmica que está equipado con un material que cambia de fase en diferentes regiones de temperatura. Suele ser un material a base de polímeros que puede soportar tratamientos térmicos reversibles. Cuando el material cambia de fase, el diferencial de energía se convierte en energía mecánica. ^[81] Los materiales utilizados deberán poder alterar las fases, de líquido a sólido, dependiendo de la posición de la termoclina bajo el agua. ^[82] Estos materiales de cambio de fase dentro de las unidades de recolección de energía térmica serían una forma ideal de recargar o alimentar un vehículo submarino no tripulado (UUV), ya que dependerá del agua fría y caliente que ya está presente en grandes masas de agua; minimizando la necesidad de recargar la batería estándar. La captura de esta energía permitiría misiones a más largo plazo, ya que se puede eliminar la necesidad de recolectarla o devolverla para cargarla. ^[83] Este es también un método muy respetuoso con el medio ambiente para propulsar vehículos submarinos. No se producen emisiones al utilizar un fluido de cambio de fase y probablemente tendrá una vida útil más larga que la de una batería estándar.

Direcciones futuras

Se han propuesto polímeros electroactivos (EAP) para recolectar energía. Estos polímeros tienen una gran deformación, densidad de energía elástica y alta eficiencia de conversión de energía. Se propone que el peso total de los sistemas basados ​​en EAP (polímeros electroactivos) sea significativamente menor que el de los basados ​​en materiales piezoeléctricos.

Los nanogeneradores , como el fabricado por Georgia Tech, podrían proporcionar una nueva forma de alimentar dispositivos sin baterías. ^[84] A partir de 2008, sólo genera unas docenas de nanovatios, lo que es demasiado bajo para cualquier aplicación práctica.

El ruido ha sido objeto de una propuesta del laboratorio NiPS en Italia para recolectar vibraciones de amplio espectro a baja escala a través de un mecanismo dinámico no lineal que puede mejorar la eficiencia de la cosechadora hasta un factor 4 en comparación con las cosechadoras lineales tradicionales. ^[85]

Las combinaciones de diferentes tipos ^[86] de recolectores de energía pueden reducir aún más la dependencia de las baterías, particularmente en entornos donde los tipos de energía ambiental disponibles cambian periódicamente. Este tipo de recolección de energía equilibrada complementaria tiene el potencial de aumentar la confiabilidad de los sistemas de sensores inalámbricos para el monitoreo de la salud estructural. ^[87]

Ver también

• portal de energía

• Energía eólica aérea
• Generadores termoeléctricos para automóviles
• EnOcéano
• Desarrollo energético futuro
• Banda ultraancha IEEE 802.15 (UWB)
• Lista de recursos energéticos
• Esquema de energía
• Carga parasitaria
• Sistema de localización en tiempo real (RTL)
• Batería recargable
• rectenna
• Cargador solar
• Motor térmico termoacústico.
• Generador termoeléctrico
• Red de sensores ubicua
• Los vehículos aéreos no tripulados pueden funcionar mediante recolección de energía
• Transferencia de energía inalámbrica

Referencias

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enlaces externos

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