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Recolección de energía

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

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

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

Los principios de la recolección de energía de los campos electromagnéticos ambientales 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 los sectores militares como comerciales. Algunos sistemas convierten el movimiento, como el de las olas del océano, en electricidad para que la utilicen los sensores de monitoreo oceanográfico para su funcionamiento autónomo. Las aplicaciones futuras pueden incluir dispositivos de salida de alta potencia (o conjuntos de dichos dispositivos) desplegados en ubicaciones remotas para que sirvan 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 la exposición a largo plazo a entornos hostiles y tener un amplio rango de sensibilidad dinámica para explotar todo el espectro de movimientos de las olas. Además, una de las últimas técnicas para generar energía eléctrica a partir de ondas de vibración es la utilización de amplificadores auxéticos . [4] Este método se incluye en la categoría de recolección de energía por vibración basada en piezoelectricidad (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

La energía también se puede aprovechar 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 las baterías. La recolección de energía de las vibraciones ambientales, el viento, el calor o la luz podría permitir que los sensores inteligentes funcionen indefinidamente.

Las densidades de potencia típicas disponibles en los dispositivos de recolección de energía dependen en gran medida de la aplicación específica (que afecta al tamaño del generador) y del diseño mismo del generador de recolección. En general, para los dispositivos alimentados por el movimiento, los valores típicos son unos pocos μW/cm3 para aplicaciones alimentadas por el cuerpo humano y cientos de μW/cm3 para generadores alimentados por maquinaria. [5] La mayoría de los dispositivos de recolección de energía para dispositivos electrónicos portátiles generan muy poca energía. [6] [ verificación necesaria ]

Almacenamiento de energía

En general, la energía se puede almacenar en un condensador , un supercondensador o una batería . Los condensadores se utilizan cuando la aplicación necesita proporcionar picos de energía enormes. 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 utilizan 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 para siempre, lo que permite un funcionamiento sin mantenimiento en IoT y dispositivos de sensores inalámbricos. [7]

Uso del poder

El interés actual en la recolección de energía de bajo consumo se centra en las redes de sensores independientes. En estas aplicaciones, un sistema de recolección de energía almacena la energía en un condensador y luego la eleva o regula hasta un segundo condensador de almacenamiento o batería para su uso en el microprocesador [8] o en la transmisión de datos. [9] La energía se utiliza normalmente en una aplicación de sensores 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 una 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 teledetección , 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 el problema del cambio climático mediante la reducción de 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 omnipresentes 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]

Las investigaciones recientes sobre la recolección de energía han dado lugar a la innovación de dispositivos capaces de alimentarse a sí mismos mediante interacciones con el usuario. Entre los ejemplos más destacados se incluyen los 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 pulsar botones o girar perillas. Estos estudios destacan cómo la energía recolectada a partir de las interacciones no solo puede alimentar los propios dispositivos, sino también ampliar su autonomía operativa, promoviendo el uso de fuentes de energía renovables y reduciendo la dependencia de las baterías tradicionales.

Fuentes de energía

Hay muchas fuentes de energía a pequeña escala que, por lo general, no se pueden ampliar a escala industrial en términos de producción comparable a la energía solar, eólica o undimotriz de tamaño industrial:

Fuentes de radiación ambiental

Una posible fuente de energía proviene de transmisores de radio ubicuos. Históricamente, se necesitaba 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 un desarrollo propuesto que superaría esta limitación al hacer uso de la abundante radiación natural (como la radiación solar ).

Una idea es transmitir deliberadamente energía de radiofrecuencia para alimentar y recopilar información de dispositivos remotos. [9] Esto es algo habitual en los sistemas pasivos de identificación por radiofrecuencia (RFID), pero la Comisión Federal de Comunicaciones de Estados Unidos (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 fluidos

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

El flujo sanguíneo también se puede utilizar para alimentar dispositivos. Por ejemplo, un marcapasos desarrollado en la Universidad de Berna utiliza el flujo sanguíneo para dar cuerda a un resorte que, a su vez, acciona un microgenerador eléctrico. [19]

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

Fotovoltaica

La tecnología inalámbrica de recolección de energía fotovoltaica (PV) ofrece ventajas significativas sobre las soluciones de sensores con cables o alimentados únicamente por baterías: fuentes de energía prácticamente inagotables con pocos o ningún efecto ambiental adverso. Las soluciones de recolección de energía fotovoltaica en interiores hasta la fecha han sido impulsadas por tecnología de silicio amorfo (aSi) especialmente ajustada, la más utilizada en las calculadoras solares. En los últimos años, nuevas tecnologías fotovoltaicas han llegado a la vanguardia de la recolección de energía, como las células solares sensibilizadas con colorante ( DSSC ). Los colorantes absorben la luz de manera muy similar a la clorofila en las plantas. Los electrones liberados al impactar escapan a la capa de TiO 2 y desde allí se difunden a través del electrolito, ya que el colorante se puede ajustar al espectro visible, lo que permite producir una potencia mucho mayor. A 200 lux, una 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 eléctrica o voltaje. Esta tensión puede provenir de muchas fuentes diferentes. El movimiento humano, las vibraciones sísmicas de baja frecuencia y el ruido acústico son ejemplos cotidianos. Excepto en casos excepcionales, el efecto piezoeléctrico opera en corriente alterna 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, una cantidad demasiado pequeña para su aplicación en sistemas, pero suficiente para dispositivos portátiles como algunos relojes de pulsera automáticos disponibles en el mercado. Una propuesta es que se utilicen para dispositivos a microescala, como un dispositivo que recolecte energía microhidráulica. En este dispositivo, el flujo de fluido hidráulico presurizado 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 los años 90, [22] [23] sigue siendo una tecnología emergente. Sin embargo, se han realizado algunas mejoras interesantes con el interruptor electrónico autoalimentado en la escuela de ingeniería INSA, implementado por la empresa derivada Arveni. En 2006, se creó la prueba de concepto de un pulsador de timbre inalámbrico sin batería y, recientemente, un producto demostró que un interruptor de pared inalámbrico clásico puede ser alimentado por un recolector piezoeléctrico. Otras aplicaciones industriales aparecieron entre 2000 y 2005, [24] para recolectar energía de la vibración y alimentar sensores, por ejemplo, o para recolectar energía de los golpes. [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 generar energía de bajo nivel para sensores implantables o portátiles. Los nanocepillos son otro ejemplo de un recolector de energía piezoeléctrica. [26] Se pueden integrar en la ropa. Se han explotado muchas otras nanoestructuras para construir un dispositivo de recolección de energía, por ejemplo, se fabricó un nanocinturón de PMN-PT de un solo cristal y se ensambló en un recolector de energía piezoeléctrica en 2016. [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 recolección de energía por vibración [28] es otro proyecto que se creó para tratar de recolectar energía eléctrica de las vibraciones y movimientos ambientales. El microcinturón 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 un voladizo piezoeléctrico mediante el uso de una resonancia interna de 1:2. [30] Finalmente, ya se ha creado un recolector de energía piezoeléctrico a escala milimétrica. [31]

Los elementos piezoeléctricos se están incorporando en pasarelas [32] [33] [34] para recuperar la "energía de las personas" de las pisadas. También se pueden incorporar en los zapatos [35] para recuperar la "energía de la marcha". Los investigadores del MIT desarrollaron el primer recolector de energía piezoeléctrica a microescala utilizando PZT de película fina en 2005. [36] Arman Hajati y Sang-Gook Kim inventaron el dispositivo de recolección de energía piezoeléctrica a microescala de ancho de banda ultra ancho explotando la rigidez no lineal de un resonador de sistemas microelectromecánicos ( MEMS ) doblemente sujeto. La tensión de estiramiento en una viga doblemente sujeta muestra una rigidez no lineal, que proporciona una retroalimentación pasiva y da como resultado una resonancia de modo Duffing reforzada en amplitud. [37] Normalmente, se adoptan voladizos piezoeléctricos para el sistema de recolección de energía mencionado anteriormente. Una desventaja es que el voladizo piezoeléctrico tiene una distribución de deformación en gradiente, es decir, el transductor piezoeléctrico no se utiliza en su totalidad. Para abordar este problema, se proponen voladizos en forma de triángulo y en forma de L para una distribución de deformación uniforme. [38] [39] [40]

En 2018, investigadores de la Universidad de Soochow informaron que habían hibridado un nanogenerador triboeléctrico y una célula solar de silicio al compartir un electrodo mutuo. Este dispositivo puede recolectar energía solar o convertir la energía mecánica de las gotas de lluvia que caen en electricidad. [41]

La empresa de telecomunicaciones británica Orange UK ha creado una camiseta y unas botas que aprovechan la energía. [ ¿Cuándo? ] 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 del movimiento, el peso, la vibración y los cambios de temperatura como se muestra en la figura.

Teniendo en cuenta el efecto piezoeléctrico en el titanato de zirconato de plomo de película delgada PZT, se ha desarrollado un dispositivo generador de energía de 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 a frecuencias específicas desde una fuente de energía de vibración externa, creando así energía eléctrica a través del efecto piezoeléctrico utilizando masa amortiguada electromecánica. [50] Sin embargo, Aqsa desarrolló aún más dispositivos electrostáticos estructurados por haz que son más difíciles de fabricar que los dispositivos MEMS PZT en comparación con uno similar 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 viga en voladizo que consta de un electrodo inferior de membrana , película, película piezoeléctrica y electrodo superior. Se requieren más de (3~5 máscaras) pasos de máscara para el patrón de cada capa mientras tienen 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 las clases 6mm , 4mm , mm2 , 6 , 4 , 3m , 3 , 2 , m . El eje polar especial, 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 cargas positivas y negativas se desplazan de una célula elemental de las posiciones de equilibrio, es decir, la polarización espontánea del cristal cambia. Por lo 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 efectos externos ( campos eléctricos , tensiones mecánicas). Como resultado del desplazamiento, Aqsa Abbasi introdujo un cambio en los componentes a lo largo de los tres ejes . Supongamos que es proporcional a las tensiones mecánicas que provoca en una primera aproximación, lo que resulta donde Tkl representa la tensión mecánica ydikl representa los módulos piezoeléctricos. [50]

Las películas delgadas de PZT han atraído la atención por sus aplicaciones en 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 el medio ambiente. Las carreteras inteligentes tienen el potencial de jugar 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 de gran utilidad en las tecnologías de carreteras inteligentes, que pueden utilizarse para crear sistemas inteligentes que mejoren la productividad a largo plazo. Imaginemos autopistas que avisen a los conductores de un atasco antes de que se forme, puentes que informen cuando corren el riesgo de colapsar o una red eléctrica que se repare sola cuando se produzcan apagones. Durante muchas décadas, los científicos y los 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 coste. También hay otros proyectos de tecnología inteligente que están listos para su implementación y que podrían implementarse con bastante rapidez, pero la mayoría de las tecnologías todavía están en la etapa de desarrollo y podrían no estar prácticamente disponibles durante cinco años o más. [51] [ necesita actualización ]

Piroeléctrico

El efecto piroeléctrico convierte un cambio de temperatura en corriente eléctrica o voltaje. Es análogo al efecto piezoeléctrico , que es otro tipo de comportamiento ferroeléctrico . La piroelectricidad requiere entradas que varían con el tiempo y sufre de pequeñas salidas de potencia 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 bajo un campo eléctrico bajo y descargarlo bajo calentamiento en un campo eléctrico más alto. Se han desarrollado varios convertidores piroeléctricos para implementar el ciclo de Olsen utilizando 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 caliente y uno frío. [58] Además, estudios recientes han establecido que los polímeros de fluoruro de polivinilideno trifluoroetileno [P(VDF-TrFE)] [59] y las cerámicas de zirconato titanato de plomo y lantano (PLZT) [60] son ​​materiales piroeléctricos prometedores para usar en convertidores de energía debido a sus grandes densidades de energía generadas a bajas temperaturas. Además, recientemente se presentó un dispositivo de recolección de energía piroeléctrica que no requiere entradas que varían con 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]

Termoelectricidad

Efecto Seebeck en una termopila fabricada con 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 corazón 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 frías y calientes 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 podría, dependiendo de la dirección de la corriente, hacer que actúe como un calentador o un 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, debido al conocimiento de los efectos Seebeck y Peltier , los materiales termoeléctricos se pueden utilizar como calentadores, refrigeradores y generadores (TEG).

Los materiales termoeléctricos ideales tienen un coeficiente Seebeck alto, una conductividad eléctrica alta y una conductividad térmica baja. La conductividad térmica baja es necesaria para mantener un gradiente térmico alto en la unión. Los módulos termoeléctricos estándar que se fabrican hoy en día consisten en semiconductores de telururo de bismuto dopados con P y N intercalados entre dos placas de cerámica metalizada. Las placas de cerámica añaden 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  μW 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 baterías nucleares RTG .

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

Ventajas de la termoelectricidad:

  1. Al no tener partes móviles se puede mantener 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 capaces de funcionar en gradientes de temperatura más elevados y que puedan conducir bien la electricidad sin conducir también el calor (algo que hasta hace poco se creía imposible [ cita requerida ] ) dará como resultado una mayor eficiencia.

El trabajo futuro en termoelectricidad podría consistir en convertir el calor residual, como el producido en la combustión de los motores de los automóviles, en electricidad.

Electrostático (capacitivo)

Este tipo de recolección se basa en la capacidad variable de los condensadores que dependen de la vibración. 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 gestión de energía. Otra solución consiste en utilizar electretos , que son dieléctricos cargados eléctricamente capaces de mantener la polarización en el condensador durante años. Es posible adaptar estructuras de generadores de inducción electrostáticos clásicos, que también extraen energía de las capacidades variables, para este propósito. Los dispositivos resultantes son autopolarizantes y pueden cargar directamente baterías, o pueden producir voltajes exponencialmente crecientes en condensadores 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 ser creado por el movimiento, ya sea rotación (es decir, efecto Wiegand y sensores Wiegand ) o movimiento lineal (es decir, vibración ). [65]

Los imanes que se mueven sobre una ménsula son sensibles incluso a pequeñas vibraciones y generan microcorrientes al moverse en relación con 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 la instalación de un dispositivo de este tipo en entornos que impiden cualquier conexión eléctrica con el mundo exterior. Los sensores 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 de 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, tiene unas enormes dimensiones de 4 cm por 4 cm por 1 cm [66], casi el 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 el componente de viga en voladizo. En 2012, un grupo de la Universidad Northwestern desarrolló un generador alimentado por vibración a partir de polímero en forma de resorte [67] . Este dispositivo podía alcanzar las mismas frecuencias que el dispositivo basado en silicio del grupo de la Universidad de Southampton, pero con un tercio del tamaño del componente de viga.

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

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

Los recolectores de energía de vibración comercialmente exitosos basados ​​en la inducción magnética son todavía relativamente pocos. Algunos ejemplos incluyen productos desarrollados por la compañía sueca ReVibe Energy, una empresa tecnológica derivada del Grupo Saab . Otro ejemplo son los productos desarrollados a partir de los primeros prototipos de la Universidad de Southampton por Perpetuum. Estos tienen que 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. Estos recolectores se están suministrando ahora en grandes volúmenes para alimentar los WSN fabricados por empresas como GE y Emerson y también para los sistemas de monitoreo de cojinetes de trenes fabricados por Perpetuum. Los sensores de líneas eléctricas aéreas pueden usar la inducción magnética para recolectar energía directamente del conductor que están monitoreando. [70] [71]

Glucemia

Otra forma de obtener energía es mediante la oxidación de los azúcares en sangre. Estos recolectores de energía se denominan biobaterías . Podrían utilizarse para alimentar dispositivos electrónicos implantados (por ejemplo, marcapasos, biosensores implantados para diabéticos, dispositivos RFID activos implantados, etc.). En la actualidad, el Grupo Minteer de la Universidad de Saint Louis ha creado enzimas que podrían utilizarse para generar energía a partir de los azúcares en sangre. Sin embargo, las enzimas aún tendrían que ser reemplazadas después de unos años. [72] En 2012, un marcapasos fue alimentado por células de biocombustible implantables en la Universidad Clarkson bajo la dirección 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 en 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 EE. UU. [74]

Otras fuentes de energía de los árboles incluyen la captura del movimiento físico del árbol en un generador. El análisis teórico de esta fuente de energía muestra cierta promesa para alimentar pequeños dispositivos electrónicos. [75] Se ha construido un dispositivo práctico basado en esta teoría que ha alimentado 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 (mayor que la de un dispositivo USB). El dispositivo se puede ajustar 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 como la potencia de RF disminuye por el cubo de la distancia, la cantidad de energía es muy, muy pequeña. Si bien la afirmación de 7,3 voltios es grandiosa, la medición es para un circuito abierto. Como la potencia es tan baja, casi no puede haber corriente cuando se conecta cualquier carga.

Cambios en la presión atmosférica

La presión de la atmósfera cambia de forma natural con el tiempo debido a los cambios de temperatura y los patrones climáticos. Los dispositivos con una cámara sellada pueden utilizar 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 existen grandes masas de agua que transportan consigo grandes cantidades de energía. La energía en este caso puede generarse mediante corrientes de marea, olas oceánicas, diferencias de salinidad y también diferencias de temperatura. A partir de 2018 , 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 los distintos niveles de la termoclina en el océano es mediante un recolector de energía térmica equipado con un material que cambia de fase en regiones de diferentes temperaturas. Normalmente, se trata de un material a base de polímeros que puede soportar tratamientos térmicos reversibles. Cuando el material cambia de fase, la diferencia 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 caliente y fría ya presente en grandes masas de agua; minimizando la necesidad de recargar la batería estándar. La captura de esta energía permitiría misiones de más largo plazo, ya que se puede eliminar la necesidad de recolectarla o devolverla para cargarla. [83] Este también es un método muy respetuoso con el medio ambiente para alimentar 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 la recolección de energía. Estos polímeros tienen una gran deformación, densidad de energía elástica y una 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, solo 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 espectro amplio y de baja escala a través de un mecanismo dinámico no lineal que puede mejorar la eficiencia de la cosechadora hasta un factor de 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, en particular en entornos donde los tipos de energía ambiental disponibles cambian periódicamente. Este tipo de recolección de energía complementaria y equilibrada tiene el potencial de aumentar la confiabilidad de los sistemas de sensores inalámbricos para el monitoreo de la salud estructural. [87]

Véase también

Referencias

  1. ^ Panayanthatta, Namanu; Clementi, Giacomo; Ouhabaz, Merieme; Costanza, Mario; Margueron, Samuel; Bartasyte, Ausrine; Basrour, Skandar; Bano, Edwige; Montes, Laurent; Dehollain, Catherine; La Rosa, Roberto (enero de 2021). "Un convertidor de energía vibratoria a tiempo autoalimentado y sin batería para la monitorización inalámbrica de vibraciones". Sensores . 21 (22): 7503. Bibcode :2021Senso..21.7503P. doi : 10.3390/s21227503 . ISSN  1424-8220. PMC  8618968 . PMID  34833578.
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