Nuevos avances en la conversión de energía mediante la captación de energía

La recolección de energía existe desde hace mucho tiempo. Todavía recuerdo mi calculadora de bolsillo de los años 80 con una célula solar que alimentaba la unidad de cálculo además de la pantalla LCD. Pero mucho antes de eso, al principio de la revolución eléctrica se cosechó energía utilizable instalando generadores en los molinos de agua que funcionaban con agua corriente para producir electricidad. Hoy en día, cuando hablamos de recolección de energía, solemos utilizar el término para referirnos a una fuente de energía que sustituye a las pilas en los aparatos eléctricos. Así que el ejemplo de la calculadora de bolsillo de los años 80 está muy en consonancia con lo que intentamos conseguir hoy con la «recolección de energía»

Configuración de un sistema de captación de energía

El componente más importante de los sistemas de recolección de energía es, obviamente, un recolector, y el más común es una célula solar. La electricidad generada por el recolector debe convertirse en una tensión o corriente útil para alimentar el sistema o cargar los dispositivos intermedios de almacenamiento de energía, como los supercondensadores y las baterías. Cuando se alimenta el sistema, debe generarse la tensión correcta para la electrónica. La figura 1 muestra la unidad de gestión de la energía que realiza muchas tareas diferentes. Adaptar la impedancia de entrada para permitir la máxima captación de energía, cargar el almacenamiento de energía intermedio, dirigir la energía desde una batería de celdas primarias convencional, generar la tensión de salida correcta para el sistema y controlar los flujos de corriente y las tensiones para generar un sistema fiable. Todas estas tareas deben realizarse con una potencia de alimentación extremadamente baja para que el sistema pueda funcionar con una cosechadora o un sensor pequeños. Una amplia integración de estas funciones en el convertidor CC-CC puede ayudar a reducir la potencia necesaria para estas tareas.

El sistema de la figura 1 muestra un típico sistema de captación de energía para un sensor ambiental inalámbrico. Estos sensores suelen utilizarse para detectar la temperatura, la humedad o diversos gases, como el CO2. Hay muchas otras aplicaciones para la recolección de energía. Las aplicaciones industriales pueden encontrarse en la seguridad y la vigilancia en sensores de ocupación inalámbricos o en la supervisión industrial, como el seguimiento de activos y la supervisión de máquinas.

La recolección de energía también se utiliza en la electrónica de consumo, incluidos los dispositivos portátiles y los que se pueden llevar puestos. En las aplicaciones sanitarias domésticas, la monitorización inalámbrica de los pacientes debe funcionar sin pilas o con una duración de las mismas prolongada.

Hoy en día, la recolección de energía es un tema muy popular. Muchos ingenieros tienen que evaluar si una solución de captación de energía puede sustituir o complementar una solución energética existente. La razón por la que estos sistemas son tan populares hoy en día es que por fin estamos alcanzando un punto de equilibrio, en el que la energía cosechada de cosechadores relativamente baratos y pequeños es suficiente para alimentar microcontroladores y circuitos de RF con un consumo de energía muy bajo. En los últimos años se ha avanzado tanto en la generación como en el consumo de energía, de modo que hoy en día muchas aplicaciones que hace cinco o diez años eran irrealizables son ahora posibles y económicamente viables.

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Figura 1: Configuración del sistema de captación de energía.

Diferentes fuentes de energía

Hay diferentes fuentes de energía y las más comunes son la fotovoltaica (PV), la termoeléctrica (TEG), la electromagnética, la piezoeléctrica y la de radiofrecuencia. Los captadores fotovoltaicos y termoeléctricos generan tensiones de corriente continua, mientras que los captadores electromagnéticos, piezoeléctricos y de radiofrecuencia generan tensiones cambiantes o de corriente alterna. Esto hace que los requisitos de la tecnología de conversión de energía sean ligeramente diferentes.

La figura 2 muestra diferentes tipos de recolección y la cantidad de energía que puede generarse aproximadamente con un tamaño de recolector de 10 centímetros cuadrados. Muestra la producción de energía en el lado izquierdo y el consumo de energía para diferentes tareas en el lado derecho. Observa que la escala de potencia en el centro es logarítmica. Este gráfico es muy importante para hacerse una idea realista de la viabilidad de una idea. A menudo los diseñadores dedican trabajo y esfuerzo a evaluar una solución de captación de energía sólo para descubrir que la energía captada no es suficiente para alimentar un sistema determinado.

Figura 2
Figura 2. Las diferentes fuentes de energía y las necesidades energéticas de las diferentes aplicaciones.

La importancia de la unidad de conversión CC-CC

La conversión y la gestión de la energía suelen ser el núcleo de los sistemas modernos de captación de energía. Aunque algunas aplicaciones no utilizan dispositivos de potencia sofisticados, muchas sí lo hacen. Ejemplos de sistemas sin gestión inteligente de la energía son una pila de células solares encadenadas que generan una tensión continua relativamente alta para alimentar un sistema directamente o con un simple regulador lineal en medio. Estos sistemas no suelen tener una eficiencia energética óptima o no tienen una tensión de alimentación bien regulada. Aunque algunas cargas pueden funcionar con una tensión de alimentación muy variable, otras no. Es probable que los sistemas más avanzados del futuro necesiten algún tipo de convertidor de tensión y unidad de control.

Figura 3
Figura 3: Diagrama de bloques de un dispositivo de gestión de la energía para aplicaciones de recolección de energía.

La figura 3 muestra el diagrama de bloques de un moderno dispositivo de gestión de la energía para aplicaciones de recolección de energía. Contiene un circuito de arranque con una bomba de carga para permitir una tensión de arranque de 380 mV en la entrada. Una vez que el sistema está en marcha, los circuitos internos del ADP5090 se alimentan de la tensión de salida del ADP5090, que es el nodo que alimenta la carga del sistema de recolección de energía. Una vez que este nodo está por encima de 1,9V, la tensión de entrada puede bajar a 80mV y seguir cosechando energía. Esto es muy útil en sistemas que pasan mucho tiempo en situaciones no óptimas. Por ejemplo, un sensor de interior alimentado por una célula solar. Por la mañana y por la noche puede haber muy poca luz en la célula solar, que genera muy poca energía eléctrica. Utilizar este tiempo para cosechar algo de energía puede ayudar al presupuesto total de energía en un periodo determinado. Otro aspecto que ayuda en estas situaciones es la baja corriente de reposo del ADP5090. En estado de alerta, el consumo de corriente es de sólo 260 nA. La figura 4 muestra una aplicación típica del mundo real. Este gráfico muestra diferentes ubicaciones en un edificio residencial y los tiempos típicos que un sensor con célula solar pasa en la oscuridad. Por supuesto, éste es sólo un caso típico. La cantidad de luz que verá un colector depende de la arquitectura de la casa, incluyendo la cantidad de ventanas, la cantidad de luz eléctrica utilizada y la ubicación exacta de los colectores. La época del año y la ubicación de la casa también influirán en esa imagen. El hecho es que, en condiciones de luz tan variables, el bajo consumo energético del ADP5090 ayuda enormemente al presupuesto total de energía, especialmente en lugares que pasan la mayor parte del tiempo en la oscuridad.

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Figura 4
Figura 4: Tiempo típico que pasa un sensor en la oscuridad en diferentes lugares de los edificios residenciales.

La etapa del convertidor CC-CC del ADP5090 es bastante interesante. Tiene un bucle de control como la mayoría de los convertidores de corriente continua. Sin embargo, no regula la tensión de salida, ni la corriente de salida. El bucle de control está configurado principalmente para controlar la impedancia de entrada.

Las células solares tienen un comportamiento de corriente y tensión como el que se muestra en la figura 5. En una condición de bucle abierto, sin flujo de corriente, la tensión suministrada es máxima. Entonces, cuando la corriente empieza a fluir, la tensión disminuye. Para corrientes muy altas, la tensión se desploma bruscamente. En el centro de la curva hay una rodilla que es el punto de máxima potencia. Este es el punto en el que la tensión sigue siendo relativamente alta, pero también en el que se consume mucha corriente. Para operar cerca del punto de máxima potencia, tenemos que seguir este punto. No basta con establecer un valor de corriente fijo que dibujamos, ya que la curva de una célula solar dada en la figura 5 se mueve con diferentes condiciones de luz. Para seguir el MPP (punto de máxima potencia), el ADP5090 deja de conducir la corriente a la entrada, comprueba el voltaje de la célula solar sin que esté cargada y, a continuación, fija el MPP para los siguientes 16 segundos. Pasado este tiempo, se vuelve a realizar una comprobación del bucle abierto. Dieciséis segundos es un buen compromiso entre alejarse del MPP e interrumpir la acción de recolección con demasiada frecuencia.

Figura 5
Figura 5: Diagrama de tensión y corriente de una célula fotovoltaica típica.

El seguimiento del MPP garantiza que se recoja la mayor cantidad de energía de una fuente de energía, como una célula fotovoltaica o un generador termoeléctrico. Sin embargo, la unidad de gestión de la energía tiene tareas adicionales. Por ejemplo, tiene que controlar la tensión de salida dentro de una determinada ventana de tensión. El ADP5090 actúa como fuente de corriente para cargar una supercápsula o una batería. Esto es importante para desvincular la recolección de energía del consumo de energía. Esto permite que muchos sistemas que no disponen de una fuente de energía constante puedan recoger y realizar determinadas tareas del sistema a intervalos definidos. Por ejemplo, un sensor de una red de sensores inalámbricos que debe enviar los valores de temperatura cada cinco minutos. Si el sensor se alimenta con una célula solar, puede seguir funcionando durante los periodos de oscuridad gracias al almacenamiento intermedio de energía.

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Una arquitectura bastante popular hoy en día consiste en acoplar la recolección de energía a sistemas que se alimentan de una batería de células primarias. Los productos de éxito que utilizan una batería no recargable pueden ampliar la vida del sistema añadiendo la recolección de energía. Esto amplía el tiempo de funcionamiento sin comprometer la fiabilidad del sistema. Para estos sistemas híbridos, el ADP5090 ofrece la posibilidad de controlar una batería de células primarias. Cuando no se dispone de suficiente energía recolectada, la vía de alimentación de la batería de células primarias se dirige a alimentar la carga directamente.

Figura 6
Figura 6. Ejemplo de una etapa de gestión de la energía para aplicaciones de recolección de energía.

La figura 6 muestra una etapa de potencia completa para la captación de energía, que no sólo incluye el circuito principal de captación de energía ADP5090 MPPT, sino también un segundo circuito, el ADP5310. Se trata de un convertidor CC-CC muy eficiente que genera dos tensiones de salida. La eficiencia es cercana al 90% para una corriente de salida de 100 µA. Además, el ADP5310 también tiene un interruptor de carga incorporado. Este interruptor de carga puede utilizarse para apagar cargas que, de otro modo, consumirían energía constantemente, incluso cuando no se utilizan.

El convertidor reductor ADP5310 puede aceptar tensiones de entrada de hasta 15 V. Esto permite utilizar el dispositivo directamente en generadores de tensión alterna, como los de tipo piezoeléctrico o electromagnético. Lo único que se necesita es un puente rectificador y la tensión de salida puede introducirse directamente en el ADP5310.

En la actualidad hay muchos circuitos integrados de gestión de la energía que se han diseñado específicamente para su uso en aplicaciones de captación de energía. Permiten que los sistemas funcionen con captadores más pequeños o hacen posibles soluciones de captación de energía que no podrían haberse diseñado hace unos años. Los diseñadores del sistema tienen grandes ideas que se están aplicando ahora mismo y que podremos ver y admirar en un futuro muy cercano.

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