Técnicas de aprovechamiento de energía para la alimentación de redes de sensores

Técnicas de aprovechamiento de
energía para la alimentación de redes
de sensores
xabier.eguiluz@deusto.es

Indice
Introducción
¿Qué son las redes de sensores inalámbricas?
¿Para qué se usan?
Sistemas de recuperación energética
WSN+EH
Conclusiones
2

Introducción
• Vivimos en un mundo altamente tecnológico
• Evolucionan a gran velocidad
o A nivel de componentes (procesadores, sensores, pantallas…)
o A nivel de producto (ordenadores, teléfonos móviles, vehículos…)
3

Introducción
• Ejemplo: ordenadores portátiles
Osborne 1
4

Introducción
• Ejemplo: ordenadores portátiles
MacBook Pro
Retina
5

Introducción
• Ejemplo: teléfonos móviles
Motorola DynaTAC
8000X
6

Introducción
• Ejemplo: teléfonos móviles
iPhone 5
7

Introducción
• Problemática común: AUTONOMÍA
• Evolución de las baterías:
o Baterías de película delgada (Thin-Film batteries)
o Baterías flexibles
o Pilas de combustible (Fuel batteries)
8

Indice
Introducción
WSN+EH
Conclusiones
9

Redes de Sensores Inalámbricas
• Definición: Las redes de sensores inalámbricas están
formadas por nodos sensores, que disponen de
una cierta capacidad de cómputo, de recogida
de datos de su entorno a través de su sensórica y
de comunicarse con otros nodos dentro de la
misma red inalámbrica. (Wireless Sensor Networks –
WSN)
10

Redes de Sensores Inalámbricas
Waspmote de Libelium
11

Indice
Introducción
WSN+EH
Conclusiones
12

Propósito de las WSN
• Monitorización ambiental
• Cultivos
• Emergencias
• Medicina
13

o Es el escenario donde más se han utilizado para:
• monitorización de hábitat
• monitorización de microclimas
• detección de incendios
14

15

• Monitorización de cultivos
o Temperatura del aire
o Humedad
o Conductividad de la tierra
o Niveles de PH
o Sensores de lluvia
o Sensores de luminosidad
16

• Monitorización de cultivos
17

• Emergencias
o Despliegue de nodos sensores en zonas de desastre
o Bomberos y Policía
18

• Medicina
o Monitorización de pacientes de manera inalámbrica y/o en tiempo real
o e-Health
o No sólo pacientes enfermos, sino también en rehabilitación
19

Indice
Introducción
WSN+EH
Conclusiones
20

• Fotovoltaicos
• Piroeléctricos
• Termoeléctricos
• Eólicos
• Electromagnéticos (radio frecuencia)
• Bioenergéticos
• Cinéticos
21

• Fotovoltaicos
o Es el método de obtención de energía más popular dado que es la
fuente energética permanente más abundante en el mundo
o El World Energy Council publicó en 2007, un análisis y una estimación de
la energía consumida los próximos años y el 70 % será generada por
fuentes fotovoltaicas y térmicas
22

• Fotovoltaicos
23

• Fotovoltaicos
24

• Piroeléctricos
o La piroelectricidad es una de las últimas propiedades conocidas de los
materiales sólidos, y consiste en la polarización espontánea de ciertos
sólidos anisotrópicos debido a la dependencia de la temperatura
o VARIACIONES DE TEMPERATURA
25

• Termoeléctricos
o Seebeck y Peltier
o Gradiente de temperatura
o Redes de sensores inalámbricas de área corporal
o Entornos industriales
o A gran escala
26

• Eólicos
o Los molinos de viento
27

• Eólicos
o Granjas de aerogeneradores
28

• Eólicos
o En el caso hipotético de que se desarrollara un
molino perfecto (sin pérdidas) solamente el 59%
de la potencia del viento podría ser utilizada por
una turbina de viento
29

o Rectena (antena rectificadora): convierte microondas en corriente
continua
30

o Witricity
31

32

33

• Bioenergéticos
34

• Bioenergéticos
35

• Bioenergéticos
o Voltree Power
36

• Cinéticos
o Movimiento  electricidad
o Desde sistemas mecánicos hasta materiales avanzados
37

• Clasificación de las fuentes de energía
38
Incontrolables
e
impredecibles
Incontrolables
pero
predecibles
Parcialmente
controlables
Totalmente
controlables

• Incontrolables e impredecibles
o No predecibles  complejo modelado
o Algoritmos complejos en sistemas embebidos
o Ejemplo: vibraciones no caracterizadas en un edificio
39

• Incontrolables pero predecibles
o Es posible modelar su comportamiento  conocer la disponibilidad
energética en cada momento con un pequeño margen de error
o Ejemplo: energía solar
40

• Parcialmente controlables
o El diseñador del sistema tiene influencia sobre la generación energética
o Ejemplo: fuente de energía por radio frecuencia
41

• Totalmente controlables
o Se puede generar energía en el momento que se desee
o Ejemplo: linternas recargables
42

Indice
Introducción
WSN+EH
Conclusiones
43

WSN + EH (Energy Harvesting)
44

45

46

• La mayoría de sus casos de uso son en exteriores
• Paneles fotovoltaicos
o Tienen un punto de funcionamiento óptimo que produce una potencia
de salida máxima.
o Maximal Power Point Tracker (MPPT)
47

• Solar EH
48
eZ430-RF2500 de
Texas Instruments

• Solar EH
49
Heliomote

• Fuente de energía eólica
o Genera muy poca energía en pequeños dispositivos
o Aplicaciones en circuitos de ventilación, sistemas hidráulicos
50

• Fuente de energía eólica
o Evolución de los Sistemas electromecánicos (Microelectromechanical
Systems – MEMS)
51

• Fuente de energía térmica
o Función de la velocidad de variación de la temperatura
o Función del gradiente de temperatura
52

• Fuente de energía térmica
53
TE Power NODE de
Micropelt

• Fuente de energía cinética
o 3 tipos: piezoeléctricos, electromagnéticos y electrostáticos
54

• Caracterización de la fuente
55
Fuente de la vibración Pico de frecuencia
(Hz)
Pico de aceleración
(m/s2)
Batidora 121 6.4
Secadora 121 3.5
Marco de la puerta 125 3
Horno microondas pequeño 121 2.25
Conducto de ventilación del HVAC en un
edificio de oficinas
60 0.2-1.5
Suelo de madera con gente caminando 385 1.3
Tostadora 121 1.03
Ventana exterior cerca de una calle concurrida 100 0.7
Ordenador portátil cuando está leyendo un CD 75 0.6
Lavadora 109 0.5
Edificio de madera de oficinas de dos plantas 100 0.2
Frigorífico 240 0.1

• Golden Gate de San Francisco
56

• Fuente de energía electromagnética
57
WISP de Intel Research
Seattle

58
* Prueba realizada con una corriente de 5 m/s y eficiencia de conversión del 5%.
** Prueba realizada con una diferencia de temperatura de 5º.
Fuente de energía Densidad de potencia (µW/cm3)
Solar (exteriores) 15* 103 (pleno sol) – 150 (nuboso)
Solar (interiores) 10
Corriente de aire 380*
Temperatura 40**
Radiación 0.2
Piezoeléctrico 35,4 (teórica: 335)
Electromagnético 24,8 (teórica 400)
Electrostático 4 (teórica 44)

Indice
Introducción
WSN+EH
Conclusiones
59

Conclusiones
60
• Cada sistema de recuperación puede resultar
apropiado para un caso de uso particular
• Muchas tecnologías inmaduras
• Soluciones híbridas
• Redes de sensores de área corporal  medicina

Punto actual de la investigación
61
• Desarrollo de chips y compuestos semiconductores
en salas blancas o limpias
• Desarrollo de sistemas híbridos combinando
diferentes técnicas de recuperación energética
• Desarrollar metodología y simulador a nivel de
sistema

Desarrollo de mi investigación
62
• Desarrollar metodología y simulador a nivel de
sistema teniendo en cuenta:
o Distancias de transmisión
o Cantidad de datos
o Autonomía
o Frecuencia de envío de paquetes
o Datos de componentes principales a nivel de datasheet
• Para el desarrollo del simulador se utiliza Matlab
o Toolboxes de optimización y stateflow

Desarrollo de mi investigación
63
• Para la validación del simulador
o Se esta desarrollando un módulo sensor autónomo
o Varias fuentes de recuperación energética

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