Investigadores del MIT han desarrollado un sensor autoalimentado y sin batería que recolecta energía del medio ambiente. Debido a que no requiere baterías que deban cargarse o reemplazarse, ni cableado especial, el sensor puede integrarse en lugares de difícil acceso, como el interior del motor de un barco. Allí, recopila automáticamente datos sobre el consumo de energía y el funcionamiento de la máquina a lo largo del tiempo.
Los investigadores han construido un dispositivo sensor de temperatura que recolecta energía de campos magnéticos generados al aire libre alrededor de líneas eléctricas. Simplemente se sujeta el sensor alrededor de un cable con corriente (quizás el cable que alimenta el motor) y automáticamente recolecta y almacena energía para monitorear la temperatura del motor.
"Esta es energía eléctrica ambiental, energía para la que no tengo que pasar por una conexión de soldadura específica", dijo Steve Leeb, profesor Emanuel E. Landsman de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS) y profesor de ingeniería mecánica, miembro del Laboratorio de Investigación Electrónica. "Esto hace que este sensor sea muy fácil de instalar".
En este artículo destacado, que aparece en la edición de enero de IEEE Sensors Magazine, los investigadores proporcionan una guía de diseño para sensores de recolección de energía que permite a los ingenieros equilibrar la energía disponible en el medio ambiente con sus necesidades de detección.
El artículo traza una hoja de ruta para los componentes clave de un dispositivo capaz de detectar y controlar continuamente el flujo de energía durante el funcionamiento.
Este marco de diseño versátil no se limita a sensores que recolectan energía de campo magnético, sino que también se puede aplicar a sensores que utilizan otras fuentes de energía, como vibración o luz solar. Se puede utilizar para construir redes de sensores para fábricas, almacenes y espacios comerciales que sean más económicos de instalar y mantener.
"Ofrecemos un ejemplo de un sensor sin batería que hace algo útil y demostramos que es una solución práctica. Con suerte, otros también utilizarán nuestro marco para diseñar sus propios sensores".
Junto a Monagle y Leeb en la redacción del artículo se encuentra Eric Ponce, estudiante de posgrado en ciencias e ingeniería eléctrica.
John Donnal, profesor asociado de ingeniería de armas y controles en la Academia Naval de EE. UU. que no participó en el trabajo, estudia tecnología para monitorear los sistemas de los barcos. Dijo que conseguir energía en los barcos es difícil porque hay pocos enchufes y existen restricciones estrictas sobre qué dispositivos se pueden enchufar.
Donnell añadió: "Por ejemplo, la medición continua de las vibraciones de la bomba puede proporcionar a la tripulación información en tiempo real sobre el estado de los cojinetes y soportes, pero alimentar los sensores adicionales a menudo requiere tanta infraestructura adicional que no vale la pena la inversión. Los sistemas de recolección de energía como este pueden agregar una variedad de sensores de diagnóstico al barco, reduciendo en gran medida los costos generales de mantenimiento".
Los investigadores tuvieron que abordar tres desafíos principales para desarrollar un sensor de recolección de energía eficaz y sin baterías.
En primer lugar, el sistema debe poder arrancar en frío, lo que significa que puede arrancar los componentes electrónicos sin tensión inicial. Lo lograron utilizando una red de circuitos integrados y transistores, lo que permite al sistema almacenar energía hasta alcanzar un cierto umbral. Sólo se enciende cuando el sistema ha almacenado suficiente energía para estar en pleno funcionamiento.
En segundo lugar, el sistema debe almacenar y convertir de manera eficiente la energía recolectada sin utilizar baterías. Si bien los investigadores podrían agregar baterías al sistema, esto aumentaría la complejidad del sistema y potencialmente plantearía un riesgo de incendio.
"Quizás ni siquiera puedas darte el lujo de enviar a un técnico para reemplazar la batería. En cambio, nuestro sistema no requiere mantenimiento. Recoge energía y funciona por sí solo", añadió Monagle.
Para evitar el uso de baterías, utilizan tecnología de almacenamiento interno de energía, incluida una serie de condensadores. Los condensadores son más simples que las baterías y almacenan energía en un campo eléctrico entre placas conductoras. Los condensadores se pueden fabricar a partir de una variedad de materiales y su funcionalidad se puede adaptar para adaptarse a diversas condiciones de funcionamiento, requisitos de seguridad y espacio disponible.
El equipo diseñó cuidadosamente el condensador para que fuera lo suficientemente grande como para almacenar la energía necesaria para que el dispositivo se encienda y comience a recolectar electricidad, pero lo suficientemente pequeño como para que la fase de carga no demore demasiado.
Además, debido a que es posible que los sensores no se enciendan durante semanas o incluso meses para tomar mediciones, quieren asegurarse de que los capacitores puedan retener suficiente energía, incluso si algo de energía se pierde con el tiempo.
Finalmente, desarrollaron una serie de algoritmos de control que miden y presupuestan dinámicamente la energía recolectada, almacenada y utilizada por el dispositivo. El microcontrolador es el "cerebro" de la interfaz de administración de energía, verifica constantemente cuánta energía se almacena e infiere si se deben encender o apagar los sensores, tomar medidas o cambiar la cosechadora a una velocidad más alta para recolectar más energía para necesidades de detección más complejas.
"Al igual que cambiar de marcha mientras se anda en bicicleta, la interfaz de administración de energía observa cómo está funcionando la cosechadora, esencialmente si está pedaleando demasiado fuerte o demasiado ligero", explica Monagle, "y luego cambia las cargas electrónicas para maximizar la potencia de recolección y hacer coincidir la potencia de recolección con lo que solicita el sensor".
sensor autoalimentado
Utilizando este marco de diseño, los investigadores construyeron un circuito de gestión de energía para un sensor de temperatura disponible en el mercado. El dispositivo recolecta energía del campo magnético y se utiliza para muestrear continuamente datos de temperatura, que luego se envían a la interfaz de un teléfono inteligente a través de Bluetooth.
Los investigadores diseñaron el dispositivo utilizando circuitos de potencia ultrabaja, pero rápidamente descubrieron que existían límites estrictos en los voltajes que estos circuitos podían soportar antes de colapsar. Recolectar demasiada energía eléctrica puede hacer que el dispositivo explote.
Para evitar esto, su sistema operativo de recolección de energía en el microcontrolador ajusta o reduce automáticamente la cantidad de energía recolectada cuando hay demasiada energía almacenada. También descubrieron que la comunicación (transmitir datos recopilados por los sensores de temperatura) era, con diferencia, la operación que consumía más energía. "Asegurar que los sensores tengan suficiente energía almacenada para transmitir datos es un desafío a largo plazo que requiere un diseño cuidadoso", dijo Monagle.
En el futuro, los investigadores planean explorar medios de transmisión de datos que consuman menos energía, como por ejemplo la óptica o la acústica. También quieren modelar y predecir de manera más rigurosa la cantidad de energía que ingresa a un sistema, o la requerida para las mediciones de los sensores, de modo que los dispositivos puedan recopilar más datos de manera eficiente.
"Si sólo toma las medidas que cree que necesita, puede perderse algo de valor real. Con más información, puede aprender algo sobre el funcionamiento del dispositivo que no esperaba. Nuestro marco le permite equilibrar estas consideraciones", afirmó Leeb.
"Este artículo detalla la estructura interna de un nodo sensor práctico autoalimentado en un escenario del mundo real", dijo Jinyeong Moon, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Florida A&M-Universidad Estatal de Florida. "Las pautas de diseño generales, especialmente la cuestión del arranque en frío, son muy útiles. Los ingenieros que planean diseñar módulos autoalimentados para nodos de sensores inalámbricos se beneficiarán enormemente de estas pautas y podrán completar fácilmente la tediosa lista de verificación tradicionalmente asociada con el arranque en frío".
Este trabajo fue apoyado en parte por la Oficina de Investigación Naval y la Fundación Grainger.