30 de enero de 2021
El Energy Harvesting o recolección de energía (también conocida como captación de energía ambiental) se refiere al proceso de capturar energía del entorno o ambiente cercano y convertirlo en energía eléctrica. La energía recolectada puede usarse inmediatamente o almacenarse para un uso futuro mediante diferentes técnicas, no siendo necesariamente una de ellas el uso de baterías convencionales. El Energy Harvesting funciona aprovechando cantidades ínfimas de energía ambiental, que de no utilizarse, como ha pasado hasta el momento, se disipa o desperdicia en forma de calor, vibración, luz, etc. De forma agregada y constante en el tiempo, estas pequeñas cantidades de energía pueden acabar siendo suficientes para alimentar pequeños dispositivos eléctricos o electrónicos que cumplan con funcionalidades importantes para las personas y la industria.
El Energy Harvesting, como tecnología, se encuentra todavía en una etapa incipiente de madurez y de ninguna manera es la respuesta a todos nuestros problemas energéticos. Sin embargo, es muy prometedor cuando se trata de alimentar, como comentamos, dispositivos electrónicos de bajo consumo que, por su aplicación, pueden trabajar de forma totalmente inalámbrica. Con el mercado de la tecnología de Internet de las Cosas (IoT) en rápida expansión, ello implica un enorme potencial para esta tecnología. La comunicaciones inalámbricas eliminan la necesidad de cables para utilizar el equipo, pero la energía tiene que llegarle al equipo de alguna manera. Con el Energy Harvesting, incluso pueden visionarse sistemas con consumos relativamente importantes, sin cables para hacerles llegar energía, sin pilas y sin baterías.
En cualquier momento y lugar donde nos encontremos, hay energía a nuestro alrededor que podría llegar a ser canalizada y utilizada. Por ejemplo, dada la preponderancia de la electrónica y los dispositivos móviles, estamos constantemente bañados en un océano de ondas de radio y señales Wi-Fi, las cuales contienen una cantidad de energía intrínseca. Nuestro entorno está plagado de energía potencialmente utilizable que podría alimentar sistemas si se aprovechara y/o almacena correctamente. De hecho, las ondas electromagnéticas representan solo una forma de energía ambiental; además tenemos energía en forma de luz, calor, sonido, movimiento o vibración.
Existen muchos tipos diferentes de tecnologías de Energy Harvesting según la fuente de energía. Sin embargo, todos los sistemas de captación de energía, en su forma más simple, constan de tres componentes principales, además de una fuente de energía:
Estas son algunas fuentes comunes de energía ambiental: energía luminosa, energía cinética (vibraciones, estrés mecánico, etc.), energía térmica y energía de radiofrecuencia (RF, ondas electromagnéticas).
La energía solar se obtiene habitualmente mediante células fotovoltaicas. Las células fotovoltaicas convierten la energía luminosa del Sol directamente en electricidad mediante un principio conocido como «efecto fotovoltaico». El efecto fotovoltaico se refiere esencialmente al proceso en el que los fotones (unidades de energía luminosa) excitan a los electrones a un estado de mayor energía, lo que provoca la generación de una corriente eléctrica. Sin duda, de todas las tecnologías que veremos, esta es la más avanzada de todas y su implantación permite la generación de energía para casas, industrias y grandes aplicaciones. Con una reducción del precio de los paneles fotovoltaicos en un 80% durante los últimos 5 años, su implantación a día de hoy ya es totalmente viable y está siendo masiva en todo el mundo.
La energía cinética se obtiene mediante transductores piezoeléctricos. Los transductores piezoeléctricos producen electricidad a partir de energía cinética en forma de vibraciones, sonidos o movimientos. El transductor convierte la energía cinética en una corriente alterna que luego se acondiciona en una forma adecuada y se almacena en una batería, condensador o supercondensador. Algunos ejemplos de recolección piezoeléctrica:
La recolección de energía termoeléctrica se basa en un principio llamado efecto Seebeck, que se refiere al fenómeno en el que una diferencia de temperatura en la unión entre dos semiconductores/conductores da lugar a un voltaje.
Un sistema de recolección termoeléctrica consta de un generador termoeléctrico que consta, a su vez, de varios termopares que están conectados en serie a una fuente de calor común. Esta fuente de calor podría ser un calentador de agua, un motor, un panel solar, etc. La cantidad de energía generada es directamente proporcional a la diferencia de temperatura, así como al tamaño del generador.
La recolección termoeléctrica encuentra aplicación en la alimentación de nodos de sensores inalámbricos en entornos industriales y otros entornos de alta temperatura donde se pierden grandes cantidades de calor en procesos de transformación energética.
La energía de radiofrecuencia está literalmente conviviendo con nosotros las 24 horas del día alrededor nuestro. Las ondas de RF se transmiten constantemente al medio ambiente a través de teléfonos móviles, emisoras de radio, televisión y otros dispositivos electrónicos que se han convertido en una parte tan indispensable de nuestras vidas.
La tecnología de recolección de energía de RF es muy prometedora y la razón de su atractivo masivo es muy simple: en un mundo donde el número de transmisores de radio está aumentando a un ritmo desmesurado, las ondas de RF representan esencialmente «energía libre» que espera ser aprovechada. Se estima que el número de suscripciones a teléfonos móviles ha superado los 5 mil millones en todo el mundo. Y a esta cifra ya sorprendente, podemos agregarle la cantidad de otros dispositivos emisoras de radio, como enrutadores Wi-Fi, ordenadores portátiles, televisión y hornos microondas, etc., y puede entender de alguna manera cuánta energía hay alrededor nuestro, en forma de radiofrecuencia, esperando, potencialmente, ser aprovechadas.
El Harvesting de radiofrecuencia tiene una serie de aplicaciones potenciales: a corta distancia de un transmisor, la energía de las ondas electromagnéticas se puede utilizar en dispositivos de baja potencia como etiquetas o “tags” RFID, sensores médicos portátiles sin batería y para cargar de forma inalámbrica productos electrónicos de consumo de baja potencia. En un rango más largo, podría haber una serie de otras aplicaciones, como la automatización de edificios, el monitoreo estructural y el control industrial.
El mercado de IoT (Internet de las cosas) está a punto de explotar de forma masiva. En solo unos años, los sensores de IoT ascenderán a miles de millones. El IIoT (Industrial Internet of Things) tiene como principal objetivo automatizar procesos y hacerlos más eficientes. Sin embargo, si los miles de millones de sensores y dispositivos periféricos que se implementarán deben funcionar con baterías o cableados hacia una fuente de energía o instalación eléctrica, perdería en muchas ocasiones “la gracia” de utilizar este tipo de nueva tecnología.
Estos sensores pueden implementarse en lugares de difícil acceso y, por lo tanto, reemplazar las baterías o pilas puede ser una tarea compleja. Sin mencionar que reemplazar las baterías representa un costo a largo plazo que es absolutamente limitante y será visto como un gran problema por los usuarios y el medioambiente.
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