Todo parece tan sencillo y, a primera vista, tiene mucho sentido. Vivimos en un mundo descontrolado con señales electrónicas: radio, TV, Wi-Fi y señales de teléfonos celulares, tan solo por nombrar las más obvias. Gracias a la llegada de dispositivos móviles, portátiles y la Internet de las cosas (IoT), uno de los principales impulsos de investigación y desarrollo en electrónica ha sido desarrollar aplicaciones que se ejecutan con muy poca energía.
¿Por qué no configurar una pequeña antena para capturar una de las frecuencias de radio y rectificarla? Será fácil conseguir un microwatt o algo así y usarlo para cargar lentamente una batería o supercapacitor. Será la energía suficiente para alimentar un dispositivo IoT que solo necesita encenderse cada cierto tiempo, transmitir una lectura y luego volver a suspensión. A continuación, después de que nuestro dispositivo de IoT se vuelve a encender, se reanuda la recolección y abundante energía almacenada esperará a la siguiente activación.
Bueno, por lo menos esa es la teoría. Y suena muy bien. Después de todo, un canal de televisión irradia una cantidad enorme de RF. Solo una pequeñísima fracción de ella se disipa en las etapas de detectores de los totales combinados de todos los receptores de televisión que están sintonizados. El resto queda ahí, a la espera de ser recolectado.
En el laboratorio de investigación
La recolección de energía RF comienza con una antena. Una determinada antena solo puede recolectar eficientemente energía irradiada de un banco cercano de frecuencias. Un buen punto de partida es con el ejemplo de la televisión UHF y VHF. Incluso a 500 mHz, un dipole tendría unos 0,3 metros de longitud. Esto ya presenta una señal de alerta, porque es una cantidad bastante grande de bien raíz gastada para recolectar lo que será una cantidad muy pequeña de energía. Además, la antena debe estar ubicada en una orientación espacial específica con respecto a la antena de transmisión del canal de televisión. Y estos dos requisitos hacen que no sea práctico para un dispositivo portátil.
La antena receptora del recolector presenta una impedancia de 50 ohmios, que debe coincidir con la impedancia de entrada del resto del dispositivo. La tensión recolectada en la antena luego debe aumentarse a un mínimo de un voltio para que se pueda rectificar en CC. Esto se puede hacer con un arreglo denominado bomba de carga, que aumenta la tensión, pero, desde luego, no puede aumentar la energía total.
Una interesante serie de experimentos se centró en la recolección de energía RF generada por una estación de televisión de Tokio, Japón a una distancia de 6,5 km. El diagrama de bloques del proyecto es el siguiente.
Figura 1: Representación de una descripción de nivel de sistema de un dispositivo de recolección de energía. (Fuente: “A Battery-Less, Energy Harvesting Device for Long Range Scavenging of Wireless Power from Terrestrial TV Broadcasts”, Georgia Institute of Technology)
El proyecto se realizó en el Georgia Institute of Technology en conjunto con investigadores de la Universidad de Tokio. En esta implementación, la bomba de carga antes mencionada está contenida dentro delo bloque RF-CC.
Importantes resultados del proyecto se resumen en el siguiente diagrama. Los bloques verdes representan la cantidad de energía, en microvatios, capturados a la distancia relevante de 6,5 km por la antena desde emisiones a frecuencias UHF características de la televisión japonesa. Las bandas azules y rojas representan la energía necesaria para cargar el supercapacitor mencionado en el diagrama de bloques a 1,8 voltios y 3,0 voltios, respectivamente.
Figura 2: El supercapacitor se cargó a 2,9 voltios en una cantidad de tiempo razonable. (Fuente: “A Battery-Less, Energy Harvesting Device for Long Range Scavenging of Wireless Power from Terrestrial TV Broadcasts”, Georgia Institute of Technology)
Las inviabilidades de la recolección de energía
Los partidarios de la recolección remota para dispositivos IoT afirman que este enfoque sería útil para alimentar un sensor remoto en una zona urbana. Pero, tal como hemos visto, se requiere una antena relativamente larga, y debe estar firmemente orientada a un canal de televisión u otra fuente de energía. Y, si la fuente de energía gira o cambia, todos los dispositivos IoT correspondientes deben realinearse. Esto contradice el objetivo de implementar la recolección de energía para el IoT, que es evitar la tarea de acceder físicamente al dispositivo que es alimentado. Solo los requisitos de antena hacen inviable la recolección remota de energía para dispositivos portátiles.
Cuando se considera que la incidencia de energía sola es muchísimo mayor que la cantidad de RF autorizada en las zonas de población general en cualquier lugar del mundo desarrollado, es difícil justificar su implementación. Además, no es probable que cambie la situación, porque no hay un límite a cuánta energía RF puede estar incidente en cualquier espacio abierto al público en general. Más bien al contrario, es probable que los límites se reduzcan, ya que la exposición a RF se ve con preocupación por sus posibles riesgos para la salud de las personas.
Las aplicaciones prácticas de la recolección de energía
RF dirigida para la recolección de energía
Hay situaciones en que se instala un sensor en un área que es de difícil acceso o tal vez el área en sí es peligrosa para los humanos. En estos casos, se desarrolló un método por el cual un sensor es alimentado no a través de la recolección de energía al azar, sino de la recolección de energía específicamente dirigida al sensor. En lugar de depender de los caprichos de una antena complicada o la presencia o ausencia de una señal de televisión, un técnico puede dirigir un transmisor RF a la unidad desde una distancia segura.
Powercast Corporation ofrece un kit de evaluación para ayudar a las organizaciones a explorar las posibilidades de esta tecnología. El kit de evaluación P2110-EVAL-02 de la compañía está disponible desde Arrow Electronics. La hoja de datos revela que incluye un transmisor y receptor RF, una antena y una placa de carga para aprovechar la energía transmitida. Y, desde luego, otra área importante para explorar es la RFID.
RFID: identificación por radiofrecuencia
La identificación por radiofrecuencia, o RFID, usa señales de onda de radio para identificar un objetivo marcado. El dispositivo que lee la etiqueta la cubre con una señal RF que sirve a dos objetivos. Primero, la etiqueta, un pequeño dispositivo electrónico, “recolecta” la energía RF incidente, que utiliza para alimentarse. Luego la etiqueta, que contiene información de identificación digital almacenada, transmite esos datos de vuelta al lector.
El lector ahora conoce la identidad del elemento que escaneó. Las etiquetas pueden ser bastante pequeñas comparadas con las etiquetas de código de barras visuales. Además, un empleado puede hacer la identificación desde la distancia, y el enfoque se presta fácilmente a la automatización.
La conclusión
A menos que vaya a diseñar un régimen de IoT o de dispositivos portátiles para que operen en el mismo edificio que alberga a un transmisor de TV, la evidencia firmemente lleva a la conclusión de que será un esfuerzo quijotesco y, en definitiva, inviable. Por otra parte, hay situaciones en que la recolección de energía RF de ondas de radio específicamente dirigidas puede ser sumamente práctica.
