El concepto de recolección de energía no es nuevo, pero trasladar esta solución a productos reales presenta desafíos. ¿Qué es la recolección de energía, por qué es difícil de implementar, cómo afectará a los dispositivos de la Internet de las Cosas (IoT) y qué implicancias tendrá?
¿Qué es la recolección de energía?
La recolección de energía es el mecanismo mediante el que un dispositivo absorbe energía natural del ambiente, la convierte en energía útil y luego utiliza esa energía para realizar una acción. En el caso de dispositivos eléctricos, un recolector de energía convierte la energía del ambiente en electricidad que luego puede utilizarse para alimentar dispositivos eléctricos de baja potencia. Existe una gran cantidad de fuentes de energía natural que pueden utilizarse para generar electricidad, como energía solar, eólica, por vibración, magnética, térmica y de radio, entre otras.
Ejemplos de técnicas de recolección de energía
La recolección de energía del ambiente que nos rodea no siempre es una tarea sencilla y, en general, es muy limitada. Entonces, ¿cómo pueden las fuentes de energía natural convertirse en electricidad?
Energía solar
El ejemplo más obvio de energía natural es la luz del sol. El uso de celdas solares puede convertir la luz en electricidad de manera directa, mediante el uso del efecto fotovoltaico, y esta electricidad puede usarse para cargar un capacitor o una batería para hacer funcionar un dispositivo. Sin embargo, esta fuente de energía generalmente requiere grandes superficies para maximizar su captación y, muchas veces, solo funciona en presencia de luz solar directa.
Energía eólica
El viento es otro ejemplo claro de la energía natural, pero como la solar, tiene sus particularidades. El viento se convierte en electricidad mediante el uso de un dínamo conectado a un rotor; a medida que el viento pasa por el rotor, el eje del dínamo gira y genera energía. Este sistema requiere que el recolector de energía se coloque en un lugar ventoso, pero el viento es una fuente irregular de energía.
Energía termoeléctrica
Un sistema termoeléctrico genera electricidad cuando existe una gran diferencia de temperatura entre dos puntos. Un ejemplo básico de un sistema termoeléctrico sería un enfriador Peltier con el lado “caliente” en contacto con un objeto cálido y el lado “frío” en contacto con un objeto frío. El resultado del proceso mediante el que el enfriador Peltier genera electricidad se conoce como el “efecto Peltier”.
Energía electromecánica
Un recolector de energía electromecánica convierte energía mecánica en energía eléctrica. Esto se logra mediante una gran variedad de métodos diferentes, pero el efecto piezo es el más común. Cuando se aplica corriente eléctrica a un material piezo, este la desvía en una dirección específica y cuando el material se somete a deformación mecánica genera una corriente eléctrica. De esta manera, un elemento piezo podría instalarse en un objeto vibratorio para producir corriente eléctrica.
Energía de radio
Un recolector de energía de radio convierte las ondas de radio directamente en electricidad. Estos recolectores de energía son los menos comunes (ya que las ondas de radio son increíblemente débiles) y generan muy poca potencia. Sin embargo, si se colocan dentro de un campo de radio con la potencia suficiente, se pueden utilizar para alimentar dispositivos. Un ejemplo clásico son las radios de cristal antiguas, que no necesitan una fuente de energía para funcionar (solo una antena larga y conexión a tierra).
¿Por qué es difícil recolectar energía?
Uno de los mayores desafíos de la recolección de energía es encontrar una fuente de energía confiable que pueda suministrar potencia suficiente para la aplicación pretendida. Por ejemplo, las energías solar y eólica pueden ofrecer cantidades decentes de potencia, pero el sol no siempre brilla y el viento es increíblemente impredecible. Incluso aunque se utilicen en forma simultánea, habrá días nublados y sin viento en los que un sistema de energía de este tipo casi no generaría energía.
Otras fuentes de energía natural, como la mecánica y la térmica, también resultan muy poco confiables e intentar generar energía suficiente para el funcionamiento de incluso un sensor básico resulta una tarea demandante. Otro problema que enfrentan los sistemas de recolección de energía es la potencia que demanda la gran mayoría de los dispositivos; encontrar un sistema de IoT que utilice Wi-Fi y consuma menos de 100 mW cuando esté funcionando es difícil, por no decir imposible.
¿Qué está cambiando y cómo ayuda la tecnología?
Si bien los dispositivos de recolección de energía no resultan útiles para los dispositivos más utilizados en la actualidad, los avances tecnológicos permiten el desarrollo de dispositivos que podrían funcionar únicamente con recolectores de energía.
El primer avance tecnológico que aporta una enorme colaboración es la reducción del tamaño de los transistores. No solo la reducción de los transistores hace que se pueda instalar más cantidad en un chip, sino que también reduce el consumo de potencia de cada transistor. De esta manera, los dispositivos que utilizan transistores de menor tamaño no solo tienen más potencia, sino que consumen menos energía por transistor y, por lo tanto, tienen menos requerimientos de energía.
El segundo avance tecnológico es el uso de diseños de potencia inteligente que son increíblemente eficientes (como los convertidores CC-CC especializados) o que utilizan sistemas de activación que solo consumen energía cuando lo necesitan. El diseño de potencia inteligente resulta en dispositivos que no solo pueden funcionar con fuentes de energía instantánea más pequeñas, sino que además consumen menos energía total (y requieren menos energía por ciclo de funcionamiento).
El tercer factor que facilita la mejora de los recolectores de energía y los dispositivos a los que alimentan es la mayor demanda comercial de dispositivos remotos que no necesitan batería interna. Es posible que algunos dispositivos, como los pulsadores de timbre, necesiten estar conectados a una red, pero esto solo es necesario cuando alguien efectivamente pulsa el timbre. El conmutador se reemplaza con un recolector de energía piezo y el resultado es que cuando se pulsa el timbre, el dispositivo se activa, envía un mensaje a un sistema de alarma y se vuelve a desactivar.
¿Qué cambios traerían los recolectores de energía a la IoT?
Si se pueden incorporar técnicas de recolección de energía confiables a las tecnologías de IoT, el resultado sería monumental. Debido a que las tecnologías de IoT se centran en pequeños sensores con capacidades para conectarse entre sí, se podrían realizar implementaciones a gran escala con facilidad, sin necesidad de encontrar fuentes de energía. Esto permitiría que se instalen dispositivos en casi cualquier lugar, sin necesidad de tener que cambiar o cargar las baterías.
La recolección de energía en dispositivos de IoT también permitiría una instalación sencilla de hogares inteligentes. La falta de cables de comunicación o energía permite que un dispositivo de IoT se incorpore rápidamente a la red del hogar. Ahora bien, las capacidades del dispositivo dependerían de las fuentes de energía que tiene disponibles, por lo tanto, dispositivos como cámaras y monitores de audio serían improbables. Estos dispositivos de IoT podrían ser botones inteligentes que realizan determinada acción cuando se presionan (como enviar distintas indicaciones, abrir puertas y ventanas, o establecer los controles ambientales).
Mitos de la recolección de energía
Si bien la recolección de energía puede parecer una tecnología de referencia que podría resolver muchos problemas que presentan actualmente los dispositivos de IoT (y otros), es importante que los diseñadores comprendan la diferencia entre recolectores de energía y dispositivos que absorben energía. Muchos de los llamados recolectores de energía son, en realidad, dispositivos que absorben energía y pueden resultar en mayores emisiones de gases de efecto invernadero.
Los dispositivos piezo que generan electricidad a partir de energía mecánica son un buen ejemplo y funcionan en aplicaciones de conmutador (como pulsadores de timbre). Sin embargo, los dispositivos que se instalan en las carreteras para absorber la energía vibratoria de los automóviles pueden aumentar la resistencia que ofrece la carretera y resultar en mayor consumo de combustible para el automóvil.
Los recolectores de energía de radio, que absorben ondas de radio, reducen esencialmente la potencia de la señal y, por lo tanto, la cantidad total de dispositivos que pueden utilizar la red. Si bien en muchos casos puede ser mínima, millones de sensores darán como resultado una pérdida neta de la capacidad irradiada y será necesario que la fuente de radio emita más potencia para alcanzar el mismo rango y la misma calidad de señal.
Los dispositivos electromecánicos que se acoplan a suministros de energía de la red eléctrica extraen energía de la red mediante acoplamiento capacitivo. Esto genera que las fuentes de energía conectadas a la red deban generar más potencia para compensar la pérdida provocada por los recolectores de energía. Una vez más, si bien los recolectores de energía individuales pueden ser insignificantes, millones de ellos podrían producir una carga significativa.
¿Es la recolección de energía práctica?
Con el desarrollo tecnológico actual, los recolectores de energía son más bien una novedad, en lugar de algo que se pueda producir en masa y pueda utilizarse de manera práctica en los productos modernos. El uso de tecnologías NFC permite que los dispositivos que se pueden escanear se activen únicamente cuando se encuentran cerca de un lector. Estos dispositivos se han utilizado por casi dos décadas, pero los dispositivos de IoT que pueden recolectar la energía ambiental son muy pocos.
Otra cuestión de estos diseños es que puede resultar casi imposible localizarlos si solo funcionan cuando resultan necesarios (es decir, dispositivos de suspensión profunda) y esto podría presentar un nivel completamente nuevo de preocupación, la privacidad. Los dispositivos que pasan la mayor parte del tiempo absorbiendo energía y luego tienen un ciclo rápido de funcionamiento no solo serían imposibles de localizar, sino que podrían utilizarse con fines de espionaje. Un dispositivo celular de IoT podría estar 23 horas cargándose y utilizar una ventana de 1 minuto para conectarse a la red celular, realizar escuchas mediante un micrófono, subir el contenido a la red y luego apagarse. Es cierto que la ventana de 1 minuto es pequeña, pero el sensor podría diseñarse para activarse cuando detecta una puerta abierta, una computadora que se inicia o la presencia de una etiqueta NFC.
Conclusión
Los recolectores de energía tienen la capacidad de crear dispositivos de IoT que ofrecen mucha practicidad y no requieren fuentes o cables de energía reemplazables. Estos dispositivos serían muy fáciles de instalar en entornos complejos y la capacidad de utilizar tecnologías inalámbricas permite implementaciones masivas.
