Optimización de módulo de alimentación a partir de energía vibratoria para proveer d autonomía energética a una red inalámbrica de sensores - Lozano Rivera, Ana Clevis, (Universidad Tecnológica de Panamá, 2012)
Un tema de investigación de gran utilidad es el suministro de energía eléctrica a lugares remotos o de difícil acceso, de forma confiable, para alimentar dispositivos electrónicos de monitorización y control. Una alternativa es la generación de energía eléctrica a partir de los recursos disponibles en el ambiente, los cuales tienen el potencial suficiente para reemplazar las baterías y constituirse en una fuente de energía, para una variedad de aplicaciones prácticas. Los trabajos de investigación han demostrado que es posible producir energía eléctrica a partir de fuentes ambientales tales como las ondas de radio, la energía de los humanos, cables de transmisión de altas corrientes, entre otras [1, 4, 9, 10), aunque aún presentan restricciones. Los medios de alimentación tradicionales como las baterías electroquímicas y los sistemas de almacenamiento de combustible están limitados por factores tales como la duración, el suministro de combustible y el peso. Los recientes avances en los componentes electrónicos y sensores están reduciendo constantemente los requerimientos energéticos de muchos componentes y dispositivos remotos [4, 5], incrementando aún más las posibilidades de aprovechamiento de generación de energía de alimentación a partir del ambiente. Otra alternativa para el suministro remoto de energía son los llamados sistemas de alimentación inalámbricos. En este sentido, un número de compañías e instituciones académicas (incluyendo Intel y el Massachusetts Institute of Technology - MIT) están involucradas en el desarrollo de sistemas de alimentación sin cables [14, 15 y 16]. Sin embargo, hay una serie de limitaciones en la transferencia de energía inalámbrica, a saber: Tamaño: los anillos de cobre que crean la resonancia y la energía, son implemente demasiado grandes para que sean parte de cualquier paquete de energía sin cables. Rango: el rango de transferencia de energía inalámbrica es sólo unos pocos metros, lo cual es un obstáculo importante. Eficiencia: la transferencia de energía inalámbrica que asegura el sistema está entre 45% y el 80% de la energía que es transferida al dispositivo, es mucho menos eficiente que las conexiones regulares por cable [15]. Costo: el costo de desarrollo e implementación de redes inalámbricas de energía son elevados, lo que significa, que el usuario final tendría que pagar más dinero. La existencia de estas limitaciones, no implica que la transmisión de energía inalámbrica comercial no se puede lograr, ya que compañías como "Powermat Technologies" y la empresa española Líneas y Cables S.A., han lanzado al mercado sistemas que se recargan inalámbricamente dirigidos a alimentar dispositivos celulares y computadores portátiles. A pesar de este gran descubrimiento, aún tenemos la necesidad de extraer electricidad de nuestro entorno o de recurrir a la energía almacenada en baterías para mantener en funcionamiento algunos dispositivos. El suministro de energía por largos períodos de tiempo, por medio de algún elemento de almacenamiento es uno de los principales retos que enfrentan muchas aplicaciones, a pesar que la energía electroquímica almacenada en las baterías ha representado una fácil solución por ciento de años. Una tecnología que se ve afectada por el problema de cambio de baterías, para ser recargadas, son las redes inalámbricas de sensores (RIS), debido a que sus múltiples nodos requieren mantenerse en operación por meses ó años [1, 2, 3]. Los sistemas de almacenamiento de energía representan, tal vez, el obstáculo tecnológico más difícil aún por superar en el amplio despliegue de aplicaciones que tienen las RIS. En la actualidad, las baterías no recargables de litio pueden proporcionar hasta 800 Whr/L (vatios-hora por litro) o 2880 J/em³. Por ejemplo, si un dispositivo electrónico con una de estas baterías de 1 cm fuera a consumir 100 pW de potencia en promedio (una meta ambiciosa), el dispositivo podría durar 8000 horas o 333 días, casi un año. En realidad, esta es una estimación muy optimista ya que la capacidad total, por lo general, no se puede utilizar debido a la caída de tensión. Es importante tener en cuenta, que los sensores y la electrónica de un nodo sensor inalámbrico es mucho menor que 1 cm³, por lo que, la batería podría dominar el volumen del sistema [4] además, es evidente que un año de vida está lejos de ser suficiente para un sistema de monitoreo por medio de RIS. Las baterías recargables son una solución muy conveniente, pero pierden su eficiencia a través de tiempo y es ineludible reemplazarlas. Por otro lado, existen distintos elementos de almacenamiento de energía utilizados para alimentar pequeños sistemas electrónicos como las micro-baterías, usadas en relojes y calculadoras. Éstas podrían tomarse como una opción para alimentar los nodos de las RIS, ya que en el diseño actual el espacio destinado para las baterías es mucho mayor que el ocupado por la tarjeta electrónica, tal y como se muestra en la Figura 1. Uno de los efectos que tiene el reducir el tamaño de una batería es que se reduce la potencia de salida [4]. Por ejemplo, la corriente máxima de salida típica de una batería de Litio Recargable, que tiene 4.8 mm de diámetro y 3 V, es de 0.15 mAH, esta es una razón de peso por la cual las micro baterías no son usadas en los nodos de las RIS.