Los sistemas de administración de energía que recolectan energía ambiental alimentarán miles de millones de pequeños dispositivos en el Internet de las cosas.

Los diminutos dispositivos electrónicos conectados a Internet se están volviendo omnipresentes. El llamado Internet de las cosas (IoT) permite que los dispositivos inteligentes en el hogar y las tecnologías portátiles como los relojes inteligentes se comuniquen y operen juntos. Los dispositivos IoT se usan cada vez más en todo tipo de industrias para impulsar la interconectividad y la automatización inteligente como parte de la "cuarta revolución industrial".

La cuarta revolución industrial se basa en la tecnología digital ya generalizada, como los dispositivos conectados, la inteligencia artificial, la robótica y la impresión 3D. Se espera que sea un factor significativo en la revolución de la sociedad, la economía y la cultura.

Estos dispositivos pequeños, autónomos, interconectados y, a menudo, inalámbricos ya están desempeñando un papel clave en nuestra vida cotidiana al ayudarnos a ser más eficientes en cuanto a recursos y energía, organizados, seguros y saludables.

Sin embargo, existe un desafío clave:cómo alimentar estos pequeños dispositivos. La respuesta obvia es "baterías". Pero no es tan simple.

Dispositivos pequeños

Muchos de estos dispositivos son demasiado pequeños para usar una batería de larga duración y están ubicados en lugares remotos o de difícil acceso, por ejemplo, en medio del océano rastreando un contenedor de envío o en la parte superior de un silo de granos, monitoreando niveles de cereales. Estos tipos de ubicaciones hacen que el mantenimiento de algunos dispositivos IoT sea extremadamente desafiante y comercial y logísticamente inviable.

Mike Hayes, director de TIC para la eficiencia energética del Instituto Nacional Tyndall de Irlanda, resume el mercado. "Se proyecta que vamos a tener un billón de sensores en el mundo para 2025", dijo, "eso es mil millones de sensores".

Ese número no es tan loco como parece a primera vista, según Hayes, quien es el coordinador del proyecto EnABLES (Infraestructura europea que impulsa el Internet de las cosas).

Si piensa en los sensores en la tecnología que alguien podría llevar consigo o tener en su automóvil, hogar, oficina, además de los sensores integrados en la infraestructura que los rodea, como carreteras y vías férreas, puede ver de dónde proviene ese número, explicó. .

"En el mundo de billones de sensores de IoT previsto para 2025, tiraremos más de 100 millones de baterías todos los días a los vertederos a menos que prolonguemos significativamente la vida útil de las baterías", dijo Hayes.

Duración de la batería

Los vertederos no son la única preocupación medioambiental. También debemos considerar de dónde vendrá todo el material para hacer las baterías. El proyecto EnABLES hace un llamado a la UE y a los líderes de la industria para que piensen en la duración de la batería desde el principio al diseñar dispositivos IoT para garantizar que las baterías no limiten la vida útil de los dispositivos.

"No necesitamos que el dispositivo dure para siempre", dijo Hayes. "El truco es que necesita sobrevivir a la aplicación que está sirviendo. Por ejemplo, si desea monitorear una pieza de equipo industrial, probablemente desee que dure de cinco a 10 años. Y en algunos casos, si haga un servicio regular cada tres años de todos modos, una vez que la batería dure más de tres o cuatro años, probablemente sea suficiente".

Aunque muchos dispositivos tienen una vida operativa de más de 10 años, la duración de la batería de los sensores inalámbricos suele ser de uno o dos años.

El primer paso para prolongar la vida útil de las baterías es aumentar la energía suministrada por las baterías. Además, reducir el consumo de energía de los dispositivos prolongará la duración de la batería. Pero EnABLES va aún más allá.

El proyecto reúne a 11 institutos de investigación europeos líderes. Con otras partes interesadas, EnABLES está trabajando para desarrollar formas innovadoras de recolectar pequeñas energías ambientales como la luz, el calor y las vibraciones.

Recolectar tales energías prolongará aún más la vida útil de la batería. El objetivo es crear baterías de carga automática que duren más o que, en última instancia, funcionen de forma autónoma.

Recolectores de energía

Según Hayes, los recolectores de energía ambiental, como un pequeño recolector vibratorio o un panel solar interior, que producen bajas cantidades de energía (en el rango de milivatios) podrían extender significativamente la vida útil de la batería de muchos dispositivos. Estos incluyen artículos cotidianos como relojes, etiquetas de identificación por radiofrecuencia (RFID), audífonos, detectores de dióxido de carbono y sensores de temperatura, luz y humedad.

EnABLES también está diseñando otras tecnologías clave necesarias para los pequeños dispositivos IoT. No contento con mejorar la eficiencia energética, el proyecto también está tratando de desarrollar un marco y tecnologías estandarizadas e interoperables para estos dispositivos.

Uno de los desafíos clave con las herramientas de IoT autónomas es la administración de energía. La fuente de energía puede ser intermitente y en niveles muy bajos (microvatios), y los diferentes métodos de recolección suministran diferentes formas de energía que requieren diferentes técnicas para convertirlas en electricidad.

Goteo constante

Huw Davies es director ejecutivo de Trameto, una empresa que está desarrollando gestión de energía para aplicaciones piezoeléctricas. Señala que la energía de los dispositivos fotovoltaicos tiende a llegar en forma constante, mientras que la de los dispositivos piezoeléctricos, que convierten la energía ambiental de los movimientos (vibraciones) en energía eléctrica, generalmente llega en ráfagas.

"Se necesita una forma de almacenar esa energía localmente en una tienda antes de que se entregue en una carga, por lo que debe tener formas de administrar eso", dijo Davies.

Es el coordinador del proyecto HarvestAll, que ha desarrollado un sistema de gestión de energía para la energía ambiental denominado OptiJoule.

OptiJoule trabaja con materiales piezoeléctricos, fotovoltaicos y generadores termoeléctricos. Puede funcionar con cualquiera de estas fuentes por sí sola o con múltiples fuentes de recolección de energía al mismo tiempo.

El objetivo es permitir que los sensores autónomos sean autosuficientes. En principio, es bastante simple. "De lo que estamos hablando es de sensores de potencia ultrabaja que toman alguna medida digital", dijo Davies. "Temperatura, humedad, presión, lo que sea, con los datos que se envían a Internet".

Circuitos integrados

El dispositivo de circuito integrado de administración de energía HarvestAll se ajusta para adaptarse a los diferentes recolectores de energía. Toma la energía diferente e intermitente creada por estos recolectores y la almacena, por ejemplo, en una batería o un capacitor, y luego administra la entrega de una salida constante de energía al sensor.

De manera similar al proyecto EnABLES, la idea es crear tecnología estandarizada que permita el rápido desarrollo de dispositivos IoT autónomos/de batería de larga duración en Europa y el mundo.

Davies dijo que el circuito de gestión de energía funciona de forma completamente autónoma y automática. Está diseñado para que solo se pueda conectar a un recolector de energía, o una combinación de recolectores, y un sensor. Como reemplazo de la batería, tiene una ventaja significativa, según Davies, porque "simplemente funcionará". + Explora más

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