Nuevas tecnologías para la recolección de energía

Las nuevas tecnologías para la captura energía constituyen un desafío a la manera en que los diseñadores pueden proporcionar alimentación a un sistema. Las microturbinas eólicas para teléfonos móviles y la recolección térmica de banda ancha para los marcapasos están creando nuevas formas de generación de energía. Este artículo se ocupa de las últimas e innovadoras tecnologías para la recolección de energía en los MEMS, y cómo los diseñadores pueden aprovechar la energía generada. El artículo presentará dispositivos de las empresas Linear Technologies, STMicroelectronics, y EnOcean.

Al verse reducidos los requisitos de energía de los sensores y enlaces inalámbricos, la recolección de energía es cada vez más importante como una forma de alimentar dispositivos fácilmente en el hogar, en la línea de producción e incluso en el cuerpo humano. Esto estimula a los investigadores en las empresas y las universidades a estudiar diferentes formas de generar energía para el entorno utilizando algunos nuevos enfoques claramente sorprendentes.

Esto incluye la energía termoeléctrica, la capacidad de generar energía a partir del calor, en pos de la cual organizaciones como el Departamento de Energía de los EE.UU. está trabajando con BMW y GM para transformar los desechos térmicos de los motores y escapes de automóviles en energía para los sistemas eléctricos del vehículo. La NASA utiliza la energía termoeléctrica para alimentar los vehículos exploradores de Marte, los cuales deben funcionar sin luz, a diferencia de las celdas solares. Los recolectores de energía piezoeléctrica son también de gran interés debido a su factor de forma pequeño y alta eficiencia. En 2022, estas cuatro clases de recolectores de energía tendrán una participación de mercado similar para las aplicaciones industriales de medición, declara la empresa de investigación de mercado IDtechEx. Para 2024 el mercado total de dispositivos de recolección de energía alcanzará los 2.6 mil millones de dólares.


Un nuevo e impactante enfoque es utilizar pequeños molinos eólicos construidos con la misma tecnología que proporciona la última generación de acelerómetros en los teléfonos móviles. Un investigador asociado y una profesora de ingeniería eléctrica de la Universidad de Texas han diseñado un micromolino de viento que genera energía eólica que puede ser utilizada para cargar la batería de un teléfono celular.


Los profesores Smitha Rao y J. C. Chiao han diseñado y construido el dispositivo que tiene un tamaño de 1.8 mm en su punto más ancho. Ellos prevén la instalación de cientos de estos molinos integrados en el estuche de un teléfono celular y que el viento, creado al agitar el teléfono móvil en el aire o por simplemente sostenerlo en una ventana abierta en un día de mucho viento, podría generar la electricidad que sería recogida por la batería del teléfono celular.

Los trabajos de la profesora Rae en dispositivos microrrobóticos inicialmente causaron el interés de una empresa taiwanesa para lograr que Rao y Chiao intercambiasen ideas sobre nuevos diseños de dispositivos y aplicaciones para las técnicas de fabricación de la empresa en micromecanizado (MEMS), las cuales se han comercializado para acelerómetros.

Los diseños de Rao combinan conceptos de origami con diseños convencionales de dispositivos semiconductores a escala de oblea, para que las complejas estructuras mecánicas móviles en 3 D puedan ser autoensambladas a partir de piezas metálicas de dos dimensiones mediante técnicas planares de galvanoplastia multicapa que han sido optimizadas por la fundición WinMEMS Technologies. Los micromolinos funcionan bien porque la aleación metálica es flexible y el diseño de Rao contempla el minimalismo para la funcionalidad.

Los micromolinos fueron probados con éxito en septiembre de 2013 en el laboratorio del profesor Chiao. Los molinos operan bajo fuertes vientos artificiales sin ninguna fractura en el material debido a la aleación de níquel resistente y al inteligente diseño aerodinámico. El problema que enfrenta la mayoría de los diseñadores de MEMS es que los materiales son demasiado frágiles, pero el uso de una aleación de níquel evita el problema y hace que los dispositivos sean resistentes.

Este es sólo un primer paso, según Rao, ya que los micromolinos de viento pueden ser fabricados en una matriz mediante procesos por lotes. El costo de fabricación de un dispositivo es el mismo que el de fabricar cientos o miles en una única oblea, lo cual permite una producción en masa de sistemas muy rentables.

El pequeño tamaño implica que se pueden fabricar pantallas planas con miles de molinos para montar en las paredes de las viviendas o edificios con el propósito de recolectar energía para iluminación, seguridad, detección medioambiental y comunicación inalámbrica.

Sin embargo, bien sea que se encuentren cargando un teléfono celular o estén simplemente montadas en una vivienda, las matrices de los molinos generan pequeñas cantidades de corriente, lo que podría crear variaciones significativas que tienen que ser manejadas por el sistema de administración de energía. Mientras que la batería de un teléfono móvil puede utilizarse para estabilizar algunas de estas variaciones, la carga debe ser administrada con precaución. En el caso de una matriz de mayor tamaño para alimentar de energía a una vivienda, esto puede resultar aún más dramático.

Los dispositivos tales como el LTC3108 de Linear Technology proporcionan una salida estable a partir de corrientes de entrada muy bajas. Para que tenga éxito, la matriz de molinos tendrá que coincidir con la gama de entrada de los dispositivos de administración de alimentación, lo cual requiere de una cuidadosa optimización. Se puede necesitar incluso de tolerancias de entrada inferiores que las disponibles actualmente, lo cual tendrá un impacto en la próxima generación de diseño de dispositivos para la administración de energía.

STMicroelectronics está también extendiendo sus aplicaciones de recolección de energía con un nuevo chip que integra todas las funciones necesarias para alimentar circuitos electrónicos y recargar baterías mediante una celda solar o un generador termoeléctrico (TEG). Este se basa en el convertidor elevador CC-CC intercalado y monolítico de 4 fases SPV1020 que está diseñado para maximizar la energía generada por los paneles fotovoltaicos, independiente de la temperatura y la cantidad de radiación solar.

La optimización de la conversión de la potencia se obtiene mediante lógica integrada, la cual realiza el algoritmo MPPT (seguimiento de punto de máxima potencia) de las celdas fotovoltaicas conectadas con el convertidor. Uno o más convertidores pueden alojarse en la caja de conexión de los paneles fotovoltaicos, en sustitución de los diodos de derivación, y ya que el punto máximo de potencia es calculado localmente, la eficiencia a nivel del sistema es superior a la de las topologías convencionales, donde el MPP se calcula en el inversor principal centralizado.

Además de ampliar esta capacidad a los sistemas TEG, el dispositivo SPV1050 es compatible con las aplicaciones con requisitos de alimentación desde algunos microvatios hasta varios milivatios, y es igualmente apto para aplicaciones de consumo e industriales, tanto de interiores como de exteriores, que utilizan energía solar o energía térmica.

Ambos reguladores, de 1.8 V y de 3.3 V, están disponibles para alimentar a un microcontrolador acompañante o a un transmisor inalámbrico directamente sin necesidad de otros componentes.

Dentro del dispositivo, un convertidor reductor-elevador permite que el dispositivo se conecte a un TEG o a los módulos de recolección de energía solar de interior o exterior, ofreciendo una amplia gama de voltaje de entrada, desde 180 mV hasta 8 V. La eficiencia promedio de funcionamiento de 90% permite una rápida carga de la batería incluso con bajos niveles de potencia de entrada, mientras que un mínimo de precisión MPPT del 90% maximiza la extracción de energía a partir de fuentes solares o de TEG. Además, el controlador integrado de carga de batería utiliza umbrales de bajo voltaje y de fin de carga altamente precisos, y proporciona control de seguridad lógica con el fin de evitar una excesiva descarga para una mayor duración de la batería.

Energía piezoeléctrica para el corazón

Se está comenzando a utilizar una tecnología diferente, un cristal piezoeléctrico, para alimentar los marcapasos cuya tarea es la de mantener el corazón en funcionamiento.

Desde implantes cocleares hasta desfibriladores implantables, se han desarrollado dispositivos electrónicos capaces de realizar numerosas funciones dentro del cuerpo humano. En la actualidad, casi todos dependen de algún tipo de batería que finalmente termina por agotarse. En el caso de un marcapasos, esto sucede en un plazo de 6 a 10 años. El cambio de la batería requiere inevitablemente una nueva cirugía, la cual puede ser peligrosa y costosa.

Un implante piezoeléctrico flexible capaz de recolectar energía a partir del movimiento natural del cuerpo ha sido desarrollado por investigadores de EE.UU. y China. El equipo espera que un día uno de estos dispositivos pueda suministrar la electricidad necesaria para diversos implantes médicos. Las pruebas en ganado bovino y ovino sugieren que el dispositivo ya es capaz de recolectar suficiente energía de los latidos del corazón para alimentar un moderno marcapasos cardíaco.


Un dispositivo capaz de generar energía, en principio, podría funcionar para siempre. La fuente de energía más obvia en el cuerpo es algún tipo de movimiento regular como el del corazón, los pulmones o el diafragma. Sin embargo, los requisitos para un recolector de energía mecánica son estrictos: deben generar suficiente electricidad para alimentar el implante sin interferir con el movimiento natural del cuerpo. Esto es de especial interés si un recolector de energía está conectado al corazón, ya que aplicar presión en el exterior del corazón puede causar una frecuencia cardíaca irregular, la condición para la cual se implanta un marcapasos cardíaco en primer lugar.

El grupo de la Universidad de Illinois dirigido por John Rogers ha desarrollado un parche piezoeléctrico flexible que recolecta la energía mecánica de los latidos del corazón. El implante contiene una película hecha de cintas de titanato zirconato de plomo (PZT) de 500 nm de espesor, rodeada de electrodos de oro y platino. El titanato zirconato de plomo es piezoeléctrico, lo que significa que se desarrolla voltaje a través del elemento cuando se dobla. La salida se utiliza para cargar una pequeña batería integrada en el dispositivo, y todo el dispositivo está revestido de una capa de poliamida para que sea biocompatible.

Los investigadores han probado los parches colocándolos, bajo anestesia, en distintas orientaciones sobre el corazón de ovejas y vacas. El voltaje que produce es casi exactamente lo que se había anticipado en la teoría, y los implantes no mostraron interferencia con el latido natural del corazón.

Y descubrieron además que cuando fue colocado en la orientación óptima sobre el ventrículo derecho, el dispositivo fue capaz de generar hasta 0.18 μW/cm². Los marcapasos de última generación pueden funcionar con un mínimo de 0.3 μW, que es la potencia de salida alcanzada por el equipo apilando múltiples capas piezoeléctricas una sobre la otra. El equipo ha recibido recientemente la aprobación del comité de ética para dejar los parches colocados en los animales y despertarlos de la anestesia, lo que les permitirá observar su comportamiento durante meses o incluso años para comprobar que los dispositivos sigan funcionando correctamente y que no afecten indebidamente a los animales. El objetivo es permitir que el marcapasos pueda durar más de diez años, lo que constituye un reto para la biocompatibilidad.

La recolección de energía piezoeléctrica ya es utilizada en aplicaciones industriales con dispositivos tales como el Volture V21BL de Midé. El cristal resuena con las vibraciones del equipo, generando suficiente corriente para alimentar un sensor. Hacer este tipo de dispositivos mucho más pequeños, incluyendo la administración de la energía, y que sean compatibles con el tejido humano, es el reto que enfrentan los investigadores.

Clics que alimentan enlaces inalámbricos

En una escala algo mayor, la empresa alemana EnOcean, con expertos en recolección de energía, ha desarrollado un interruptor para la recolección de energía de bajo costo que podría alimentar un enlace de radio de 2.4 GHz, como el sistema Dolphin.


Por un lado, el demostrador de 2.4 GHz consiste en un interruptor doble de bajo costo para la obtención de energía, que integra un chip RF de 2.4 GHz para comunicarse con los nodos de sensores y el chip de radio NFC (Comunicación de Campo Cercano) para encargarse del interruptor. En el otro extremo del demostrador se encuentra una placa con un LED y electrónica de control, que recibe el mensaje de encendido o apagado cuando se pulsa el interruptor.

Alimentado por un convertidor de energía electromecánica de EnOcean, con sólo pulsar un botón se convierte en energía suficiente para generar la señal inalámbrica, lo que permite realizar comunicaciones de datos sin necesidad de cables o baterías. El prototipo también combina las funciones del transmisor con el receptor utilizando un teléfono inteligente. Esto abre muchas maneras innovadoras para los responsables de desarrollar los sistemas y para los usuarios, de poder integrar componentes sin batería a sus redes.

El chip NFC permite a los instaladores o incluso a los consumidores configurar el interruptor a través de cualquier teléfono inteligente con habilitación NFC. Como los interruptores no requieren ningún cableado y tienen un alcance de hasta 3 km, los dispositivos podrían ser útiles en muchas aplicaciones para la automatización del hogar o en aplicaciones industriales. Este es sólo un estudio que demuestra que un simple interruptor de recolección de energía de venta comercial puede ser capaz de alimentar un enlace de radio en la banda abierta ISM.

EnOcean ha desarrollado también un middleware basado en Linux con una biblioteca para interpretar todos sus protocolos de radio de baja potencia y traducir cualquier mensaje del sensor desde un nivel lógico para un nivel IP, con el objeto de que otros dispositivos, servidores e incluso servicios de la Nube puedan procesarlo. Esto es parte de su plan de expansión en el apoyo a una amplia gama de protocolos RF con estas tecnologías para la recolección de energía. Ha lanzado un conector para el MiOS Marketplace con objeto de ofrecer control de los transceptores Z-Wave® como el ZM5202 que utiliza los interruptores y sensores autoalimentados de EnOcean.


El nuevo conector crea un puente entre EnOcean, un estándar establecido en la automatización inalámbrica de edificios residenciales, y los productos inalámbricos Z-Wave. Esto significa que ahora los desarrolladores de Z-Wave pueden utilizar las tecnologías para la recolección de energía de EnOcean, desde la energía física y solar hasta la generación térmica. Esto también permite a los desarrolladores de Z-Wave contar con la colaboración de los miembros de la Alianza EnOcean, que ya incluye a 350 empresas en todo el mundo.

Conclusión

La reducción en los requisitos de potencia demostrada por empresas como EnOcean está impulsando la investigación en el ámbito de las nuevas tecnologías para la recolección de energía. Si bien la idea de una matriz de pequeños molinos para la generación de energía para un teléfono celular a partir del viento puede parecer extraña, se pone de manifiesto que la tecnología MEMS puede ser utilizada en formas novedosas para la generación de energía. Esto tendrá un impacto en el diseño y desarrollo de los chips y subsistemas para la administración de energía que, al igual que los nuevos dispositivos de STMicroelectronics, combinan el soporte a diferentes tecnologías para la recolección de energía a través de un amplio rango de entrada. Como ha demostrado EnOcean, estas tecnologías para la recolección de energía pueden al presente unirse a las tecnologías inalámbricas existentes como Z-Wave de Sigma Designs, aprovechando el mercado probado ya existente. Los diseñadores que están desarrollando sistemas de potencia ultrabaja, ya sea para el hogar, la industria o para aplicaciones médicas, cuentan con una gama mucho más amplia de opciones para la alimentación de dispositivos sin necesidad de tener que recurrir a las baterías.