Mouser: La recolección de energía acelera la adopción del IoT

Cada día se amplían los posibles casos de uso del IoT. Gracias a los efectos combinados de varios avances tecnológicos, como los microcontroladores de ultrabajo consumo y el aprendizaje automático basado en el borde, se extiende la diversidad de aplicaciones del IoT.

La disponibilidad de redes de área amplia de bajo consumo (LPWAN) permite que los sensores informen desde ubicaciones remotas con regularidad sin requerir ninguna fuente de alimentación de línea. En conjunto, todos estos avances técnicos están eliminando las barreras a las que enfrentaban, por ejemplo, los casos de uso del IoT agrícola inteligente. El uso de sensores de humedad y pH del suelo alimentados por baterías en campos alejados de las líneas eléctricas y de la conectividad Wi-Fi ya es una aplicación sencilla y de bajo coste.

IoT sin cables
La popularidad de la implementación de dispositivos IoT alimentados por batería en ciudades inteligentes y para aplicaciones agrícolas inteligentes, que representan solo dos de los muchos casos de uso del IoT, está aumentando rápidamente. Sin embargo, la capacidad de la batería determina el tiempo que puede funcionar un dispositivo y depende totalmente del perfil de consumo de energía del mismo. El coste de cambiar las baterías, sobre todo en lugares remotos, llega a ser excepcionalmente alto en comparación con el coste de la batería. En consecuencia, una duración de una batería inferior a seis meses, por lo general, no es viable.

Mantener el microcontrolador y el transceptor inalámbrico del sensor en modo de reposo profundo durante el mayor tiempo posible prolonga la duración de la batería. Además, el ciclo de trabajo de determinados tipos de sensores IoT puede ser relativamente bajo. Por ejemplo, es poco probable que las lecturas de la humedad del suelo en la profundidad de las raíces cambien mucho en 30 minutos, por lo que es razonable hacer la lectura cada media hora. En cada ciclo, el microcontrolador del dispositivo se activa, lee el sensor de humedad y empaqueta los datos para su transmisión. A continuación, el transceptor debe crear un enlace a la LPWAN y enviar el paquete de datos. Tras la recepción de la confirmación, el transceptor y el microcontrolador pueden volver a sus modos de reposo. El consumo energético del dispositivo alcanzará un pico significativamente más alto que el modo de reposo de un solo dígito µA durante el establecimiento del enlace y la transmisión de datos, hasta tal vez un centenar de mA durante períodos breves.

Si se emplean técnicas de gestión de energía cuidadosas se puede conservar la capacidad de la batería, pero, al final, se debe sustituir o recargar la batería.

Tecnologías de recolección de energía
Utilizar una batería recargable es una opción prudente, pero ¿cómo se puede mantener cargada? Durante mucho tiempo, se ha utilizado un panel solar para cargar dispositivos de exterior, pero no es el único método para obtener energía del medioambiente. Las características de bajo consumo de muchos sensores IoT hacen que la capacidad de la batería y la energía necesaria para cargarla de forma flotante no sean significativas. La capacidad de la batería también dicta su tamaño físico, por lo que mantenerla pequeña ofrece también otras ventajas. Las nuevas técnicas de recolección de energía que producen milivatios y microvatios de energía resultan ser alternativas viables.

Solar: ya se utiliza ampliamente como una excelente fuente de energía para muchas aplicaciones de exterior; también ofrece una oportunidad para recolectar luz ambiental en aplicaciones de interior. En interiores, la energía recolectada depende en gran medida de las fuentes de luz disponibles, su temperatura y su posición. En consecuencia, la cantidad de energía recolectada es menos predecible y considerablemente menor que la de los paneles solares exteriores.

Vibración mecánica: muchos artículos de investigación indican los diferentes tipos de recolección de energía a partir del movimiento mecánico. El movimiento puede producirse ocasionalmente, como las personas que caminan por un puente, o regularmente, como la vibración natural de la carcasa de un motor. Los sensores de energía incluyen el uso de un elemento piezoeléctrico para convertir la vibración en energía eléctrica y el efecto electromagnético cuando una bobina pasa por un campo magnético. Otro enfoque utiliza un método electrostático basado en la inducción capacitiva. Los métodos piezoeléctrico y electromagnético parecen ser los más viables.

Viento y agua: estos métodos emplean la conversión de la energía cinética del viento o del flujo de agua en energía eléctrica. En ambos casos, una pequeña turbina puede generar energía eléctrica. El tamaño es una consideración importante para este método de recolección, así como la seguridad de las aspas giratorias de una turbina eólica. Sin embargo, la energía recolectada puede ser más que suficiente para un pequeño sensor IoT a pesar de las limitaciones prácticas.

Termoeléctrica: la energía eléctrica generada de este modo utiliza el principio del efecto Seebeck. Este utiliza la diferencia de temperatura entre dos placas aisladas de materiales semiconductores para crear electricidad. Los módulos termoeléctricos pueden combinarse para aprovechar al máximo las diferencias de temperatura en función de las limitaciones de espacio del dispositivo IoT. Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura, más energía se creará; sin embargo, puede haber dificultades prácticas para conseguirlo dependiendo de la aplicación

Radiofrecuencias: la recolección de la energía RF electromagnética es un concepto relativamente reciente. Con la conectividad inalámbrica de datos y voz, ahora omnipresente, y numerosas emisoras de radio y televisión terrestres, la oportunidad de recolectar energía en un amplio espectro radioeléctrico parece muy atractiva. La potencia disponible dependerá de la ubicación, la frecuencia y las señales adecuadas, pero los proveedores de semiconductores especializados están estableciendo un nicho con los circuitos integrados ya disponibles. La investigación en recolección de frecuencias ISM, Wi-Fi y celulares está dando resultados prometedores.

Recolectar la energía que nos rodea
Con unas oportunidades casi ilimitadas para las aplicaciones basadas en el IoT, sigue siendo prioritario proporcionar una fuente de energía fiable. Alimentar los dispositivos con una batería recargable alimentada por la recolección de energía de las fuentes de energía del entorno es una solución práctica. En algunas aplicaciones, la batería puede complementarse o incluso sustituirse por un supercondensador. Un supercondensador combinado con una batería podría satisfacer los picos de demanda de energía que suelen producirse durante el establecimiento e intercambio de enlaces de datos inalámbricos. Varios proveedores de semiconductores disponen ya de una gama de circuitos integrados de gestión de la energía de alta eficiencia y de conversores CC/CC optimizados para la recolección de energía de múltiples fuentes, como la solar, la piezoeléctrica y la termopar.

Si quiere saber más sobre la recolección de energía, visite: https://resources.mouser.com/energy-harvesting

www.mouser.com

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