¡Esta es la Cuarta parte de una serie de blogs de seis partes de Mouser Electronics! Al final del artículo le mostramos un enlace para poder leer la Quinta parte…
Hacer posible la detección industrial sin cables
Mark Patrick, para Mouser Electronics
¿Qué temas tratarán los artículos?
La energía industrial será analizada en estos artículos del blog: ¿cómo facilitarán las nuevas tecnologías de materiales y técnicas de diseño el ahorro energético en la próxima década?
Blog 1: Introducción: la conversión de la energía industrial del futuro
Blog 2: Los conversores en la Cuarta Revolución Industrial
Blog 3: El valor de la alimentación a través de Ethernet (PoE)
Blog 4: La captación de energía en el ámbito industrial
Blog 5: PoL: los circuitos industriales ante los desafíos energéticos
Blog 6: La siguiente década de la energía industrial
Hasta el momento, en estos artículos del blog hemos analizado el consumo energético de los motores medido en cientos de kW y la alimentación a través de Ethernet (PoE) de los sensores y actuadores en unos escasos 100 vatios. Ahora vamos a ver la captación de energía, situada en el otro extremo del espectro, donde la potencia está en el rango de los µW.
¿Dónde resulta útil la captación de energía?
El internet industrial de las cosas (IIoT) añade inteligencia a los sensores y actuadores para controlar y vigilar mejor los procesos de fabricación: el resultado es un aumento de la eficiencia y la productividad. Como mínimo, esta inteligencia necesita algún tipo de procesamiento y almacenamiento de datos. El típico sensor para la monitorización de la temperatura tiene un microcontrolador, una memoria y una interfaz para las comunicaciones. El enrutamiento de los cables Ethernet u otros sistemas de comunicación por cable, como los basados en conexiones en serie RS432, pueden resultar poco convenientes para el nodo IIoT, por lo que a menudo se emplea la comunicación inalámbrica. El nodo IIoT requiere algo de energía para funcionar, lo que plantea retos adicionales: las baterías se agotan y cambiarlas requiere tiempo y trabajo. Al mismo tiempo, la corriente continua de un adaptador de alimentación o PoE solo funciona si hay una alimentación apropiada.
Si la demanda energética es baja, la solución es captar algún tipo de energía local para disponer de una fuente de energía. Un buen ejemplo serían los microcontroladores de ultrabaja potencia y los módulos WLAN que solo se alimentan en descargas poco frecuentes, ya que los datos se acumulan y transmiten en paquetes en intervalos establecidos.
¿Qué tipo de energía podemos captar?
Hay cuatro fuentes fundamentales de energía captada, que son:
- Fotovoltaica
- Térmica
- Radiofrecuencia (RF)
- Vibración mecánica
Las características de tensión y corriente son diferentes en cada caso. Todas requieren un nivel de conversión de la energía para la línea de alimentación de la carga final. Las fuentes de energía también suelen ser de naturaleza intermitente. Por ello, es frecuente utilizar una batería recargable o un supercondensador para asegurar el suministro y hacer frente a los picos de demanda de energía.
Fotovoltaica
Es posible que un panel fotovoltaico sea la fuente de energía «gratuita» más habitual, pero para el IIoT, la iluminación de interiores es habitualmente baja, con unos 10µW/cm2generados en el área del panel. Lo ideal sería que la tecnología del panel también estuviese «ajustada» a la reacción espectral del tipo de iluminación disponible, pues los materiales de mayor eficiencia, como el arseniuro de galio (GaAs), no son necesariamente los más baratos o los que ofrecen un mejor rendimiento en condiciones de poca luz. Una mejor opción para la luz tenue es un dispositivo de seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS), de bajo coste, pero que ofrece una eficiencia de conversión menor y requiere materiales de tierras raras. La elección no es sencilla, y las fuentes fotovoltaicas también necesitan un controlador MPPT inteligente para obtener el mejor rendimiento, como los SPV1050 disponibles en STMicroelectronics.
Térmica
El efecto Seebeck se utiliza para captar la energía térmica: un gradiente térmico entre materiales (generalmente, semiconductores altamente dopados) genera una tensión. La densidad de la energía de un dispositivo termoeléctrico en un entorno industrial con altos gradientes térmicos puede llegar a alcanzar los 100mW/cm3. La tensión de los terminales gira en torno a 1 mV por cada gradiente en °C, lo que dificulta la conversión ascendente. En la industria ligera, donde la carga de energía es baja y la eficiencia es alta, puede resultar difícil encontrar gradientes térmicos grandes. Sin embargo, en la industria pesada son mucho más frecuentes, lo que hace que la captación de energía térmica sea la solución más adecuada.
Radiofrecuencia (RF)
La RF puede representar una fuente de captación de energía, aunque los niveles de energía son intermitentes, bajos y están mal definidos: tal vez 0,1µW/cm2 para GSM y 0,01µW/cm2 para Wi-Fi. Sin embargo, la eficiencia de conversión puede ser relativamente alta, hasta alrededor del 70 %, con tensiones útiles obtenidas de técnicas simples de transformadores de RF. La proximidad de la fuente de RF de alta potencia afecta a la energía captada, pero, en el mejor de los casos, solo representa decenas o cientos de µW. Los módulos integrados de captación de RF, como elP2110B de Powercast,simplemente se conectan a una antena externa y proporcionan una salida controlada desde 2 V hasta 5,5 V CC con una capacidad de resistir picos de corriente de 50 mA desde un condensador de almacenamiento.
Vibración mecánica
Se puede captar energía a partir de la vibración mecánica mediante el efecto piezoeléctrico, con una densidad de la energía de unos pocos cientos de µW/cm3 (tal y como puede verse en la figura 1). Sin embargo, en estos casos las tensiones de salida pueden ser altas, y puede ser necesaria la fijación para evitar que los componentes posteriores se sobrecarguen. La empresa Mide ofrece transductores piezoeléctricos y módulos de captación como el S452-J1FR-1808XBcon una potencia de salida de hasta 59 mW a 34 V. La figura 1 muestra un nodo IIoT que emplea la vibración mecánica para captar energía.
Figura 1: Un nodo IIoT típico con función de captación de energía y una conexión inalámbrica de baja potencia
En este ejemplo, la energía se obtiene del elemento piezoeléctrico, es rectificada y estabilizada y se utiliza para alimentar el convertidor CC/CC, cuya salida activa el microcontrolador, lee los datos del sensor y los transmite a través del transmisor Bluetooth de baja energía.
Almacenamiento de la energía
El módulo de captación de energía solo forma parte del proceso cuando alimenta los nodos IIoT. El convertidor CC/CC que alimenta la electrónica debe tener el menor consumo de energía en reposo posible (IQ), maximizando la energía acumulada en el elemento de almacenamiento, la batería o el supercondensador. Dicho elemento de almacenamiento debe tener las menores pérdidas posibles. El CC/CC también debe tener una elevada eficiencia que le permita aprovechar al máximo la energía disponible, como las piezas de la serie R1800K de Ricoh, que tienen una eficiencia del 90 % y un IQ típico de 144 nA.
Conclusión
La captación de energía se emplea frecuentemente para alimentar los numerosos sensores que obtienen y transmiten datos en las aplicaciones del IIoT. La proximidad a la energía CC convencional no siempre es factible. Sin embargo, la luz, el calor o la vibración pueden proporcionar suficiente energía de forma intermitente para facilitar la obtención y la transmisión de los datos que el sensor necesita para desempeñar su cometido. Esta técnica tiene ventajas, por ejemplo, con respecto de las baterías, pues reduce el mantenimiento periódico programado y, por ello, los costes de mano de obra.
En el siguiente artículo del blog veremos cómo mantener la eficiencia elevada en la última etapa de la conversión de la energía con convertidores de punto de carga (PoL).
En el sitio web de Mouser encontrará más información sobre la captación de energía y sus productos.
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