Los investigadores del MIT han desarrollado un sensor sin batería y autopotencia que puede cosechar energía de su entorno.
Debido a que no requiere una batería que deba ser recargada o reemplazada, y porque no requiere un cableado especial, dicho sensor podría integrarse en un lugar difícil de alcanzar, como dentro del funcionamiento interno del motor de un barco. Allí, podría recopilar automáticamente datos sobre el consumo de energía y las operaciones de la máquina durante largos períodos de tiempo.
Los investigadores construyeron un dispositivo de detección de temperatura que recolecta energía del campo magnético generado al aire libre alrededor de un cable. Uno simplemente podría recortar el sensor alrededor de un cable que transporta electricidad, tal vez el cable que alimenta un motor, y cosechará automáticamente y almacenará energía que utiliza para monitorear la temperatura del motor.
“Esta es la potencia ambiental: energía que no tengo que hacer una conexión específica y soldada para obtener. Y eso hace que este sensor sea muy fácil de instalar”, dice Steve Leeb, profesor de Emanuel E. Landsman de Ingeniería Eléctrica e Informática (EECS) y profesor de Ingeniería Mecánica, miembro del Laboratorio de Investigación de Electrónica, y el autor senior de un documento sobre el sensor de cosecha de energía.
En el papel, que apareció como el artículo destacado en la edición de enero de IEEE Sensors Journal, los investigadores ofrecen una guía de diseño para un sensor de recolección de energía que permite a un ingeniero equilibrar la energía disponible en el medio ambiente con sus necesidades de detección.
El papel presenta una hoja de ruta para los componentes clave de un dispositivo que puede sentir y controlar el flujo de energía continuamente durante la operación.
El marco de diseño versátil no se limita a sensores que cosechan energía del campo magnético, y se pueden aplicar a aquellos que usan otras fuentes de energía, como vibraciones o luz solar. Podría usarse para construir redes de sensores para fábricas, almacenes y espacios comerciales que cuestan menos instalar y mantener.
“Hemos proporcionado un ejemplo de un sensor sin batería que hace algo útil, y demostramos que es una solución prácticamente realizable. Ahora otros usarán nuestro marco para que la pelota rode para diseñar sus propios sensores”, dice el autor principal Daniel Monagle, un estudiante graduado de las CEE.
Monagle y Leeb están unidos en el periódico por el estudiante graduado de las CEE Eric Ponce.
John Donnal, profesor asociado de ingeniería de armas y controles en la Academia Naval de los EE. UU. Que no participó en este trabajo, estudia técnicas para monitorear los sistemas de barcos. Conseguir acceso a la energía en un barco puede ser difícil, dice, ya que hay muy pocas salidas y restricciones estrictas sobre qué equipo se puede conectar.
“Medir persistentemente la vibración de una bomba, por ejemplo, podría dar a la tripulación información en tiempo real sobre la salud de los rodamientos y monturas, pero impulsar un sensor de modernización a menudo requiere tanta infraestructura adicional que la inversión no vale la pena”, agrega Donnal. “Los sistemas de recolección de energía como este podrían permitir modernizar una amplia variedad de sensores de diagnóstico en los barcos y reducir significativamente el costo general de mantenimiento”.
Una guía de instrucciones
Los investigadores tuvieron que enfrentar tres desafíos clave para desarrollar un sensor efectivo, sin batería y recolección de energía.
Primero, el sistema debe poder arrancar en frío, lo que significa que puede encender su electrónica sin voltaje inicial. Lo lograron con una red de circuitos y transistores integrados que permiten al sistema almacenar energía hasta que alcance un cierto umbral. El sistema solo se encenderá una vez que haya almacenado suficiente energía para operar completamente.
En segundo lugar, el sistema debe almacenar y convertir la energía que cosecha de manera eficiente y sin batería. Si bien los investigadores podrían haber incluido una batería, eso agregaría complejidades adicionales al sistema y podría representar un riesgo de incendio.
“Es posible que ni siquiera tenga el lujo de enviar a un técnico para reemplazar una batería. En cambio, nuestro sistema no tiene mantenimiento. Cosecha energía y funciona a sí misma”, agrega Monagle.
Para evitar el uso de una batería, incorporan almacenamiento de energía interna que puede incluir una serie de condensadores. Más simple que una batería, un condensador almacena energía en el campo eléctrico entre las placas conductoras. Se pueden hacer condensadores a partir de una variedad de materiales, y sus capacidades se pueden ajustar a una variedad de condiciones de operación, requisitos de seguridad y espacio disponible.
El equipo diseñó cuidadosamente los condensadores para que sean lo suficientemente grandes como para almacenar la energía que el dispositivo necesita para encender y comenzar a cosechar energía, pero lo suficientemente pequeño como para que la fase de carga no lleva demasiado tiempo.
Además, dado que un sensor puede pasar semanas o incluso meses antes de actuar para tomar una medición, aseguraron que los condensadores puedan contener suficiente energía incluso si algunos se filtran con el tiempo.
Finalmente, desarrollaron una serie de algoritmos de control que miden y presupuestan dinámicamente la energía recopilada, almacenada y utilizada por el dispositivo. Un microcontrolador, el “cerebro” de la interfaz de gestión de energía, verifica constantemente cuánta energía se almacena e infiere si activar o apagar el sensor, tomar una medición o patear la cosechadora en una marcha más alta para que pueda obtener más energía para necesidades de detección más complejas.
“Al igual que cuando cambia de marcha en una bicicleta, la interfaz de administración de energía analiza cómo está funcionando la cosechadora, esencialmente ver si está pedaleando demasiado duro o demasiado suave, y luego varía la carga electrónica para que pueda maximizar la cantidad de energía que está cosechando y coincidir con la cosecha con las necesidades del sensor”, explica Monagle.
Sensor autopotenciado
Utilizando este marco de diseño, construyeron un circuito de gestión de energía para un sensor de temperatura listo para usar. El dispositivo recolecta la energía del campo magnético y la usa para probar continuamente los datos de temperatura, que envía a una interfaz de teléfono inteligente usando Bluetooth.
Los investigadores utilizaron circuitos de potencia súper baja para diseñar el dispositivo, pero rápidamente descubrieron que estos circuitos tienen restricciones estrictas sobre la cantidad de voltaje que pueden soportar antes de romperse. La cosecha de demasiada potencia podría hacer que el dispositivo explote.
Para evitar eso, su sistema operativo de cosecha de energía en el microcontrolador ajusta o reduce automáticamente la cosecha si la cantidad de energía almacenada se vuelve excesiva.
También descubrieron que la comunicación, la transmisión de datos recopilados por el sensor de temperatura, era, con mucho, la operación más hambrienta de energía.
“Asegurar que el sensor tenga suficiente energía almacenada para transmitir datos es un desafío constante que implica un diseño cuidadoso”, dice Monagle.
En el futuro, los investigadores planean explorar medios menos intensivos en energía para transmitir datos, como usar óptica o acústica. También quieren modelar y predecir más rigurosamente cuánta energía podría estar entrando en un sistema, o cuánta energía podría necesitar un sensor para tomar medidas, por lo que un dispositivo podría recopilar aún más datos.
“Si solo realiza las medidas que cree que necesita, puede perderse algo realmente valioso. Con más información, es posible que pueda aprender algo que no esperaba sobre las operaciones de un dispositivo. Nuestro marco le permite equilibrar esas consideraciones”, dice Leeb.
“Este documento está bien documentado con respecto a lo que un nodo sensor de autopotencias práctico debería implicar internamente para escenarios realistas. Las pautas generales de diseño, particularmente sobre el tema de la arranque en frío, son muy útiles”, dice Jinyeong Moon, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática en la Facultad de Ingeniería de la Universidad de la Universidad de Florida A&M University-Florida que no participó en este trabajo. “Los ingenieros que planean diseñar un módulo de autopotencia para un nodo de sensor inalámbrico se beneficiarán enormemente de estas pautas, marcando fácilmente las listas de verificación relacionadas con el inicio frío tradicionalmente”.
El trabajo es apoyado, en parte, por la Oficina de Investigación Naval y la Fundación Grainger.
