13 abril 2010

Diseño de aplicaciones solar energy harvesting

Algunas aplicaciones recientes en el ámbito de la microelectrónica requieren el uso de energía en cantidades extremadamente pequeñas.
Entre otras podemos mencionar las aplicaciones espaciales den redes de sensores inalámbricos, dominadas por restricciones en la longevidad, ya que el coste de desplegar los nodos a menudo es superior a los nodos en sí mismos. La energía es el factor limitante para alcanzar un tiempo de vida elevado (meses o años). Afortunadamente, una prometedora técnica está emergiendo, y es la denominada environmental energy harvesting. Explotando fuentes de energía omnipresentes en cualquier espacio de operación de los nodos de sensores eleva la posibilidad de una vida infinita. Alcanzar esto (a través de diseños harvesting), representa una nueva frontera en la progresión natural de las técnicas de optimización de energía.
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Para continuar viendo el potencial de energy harvesting, veamos primero el potencial de las tecnologías más comunes:
  • Células solares en exterior y con buena luz.
  • Piezoeléctrica (insertada en zapatas).
  • Vibraciones (pequeños hornos microondas).
  • Termoeléctrica (gradiente de 10 ºC).
  • Ruido acústico (100 dB).

Pero aunque mucho potencial de generación encontramos en diferentes modalidades harvesting, lo cierto es que la conversión fotovoltaica proporciona la mayor densidad de energía, lo cual hace esta tecnología idónea para sistemas embebidos que consumen varios mW y pueden solucionarse usando un módulo de harvesting razonablemente pequeño. Sin embargo, el diseño de módulos de harvesting implica complejas interacciones de varios factores tales como las características de las células solares, la química y la capacidad de las baterías utilizadas, requerimientos del suministro de energía y características de gestión de la energía de sistemas embebidos, comportamiento de la aplicación, etc. Es, por lo tanto esencial comprender y juiciosamente explotar estos factores en orden de maximizar la eficiencia energética de un módulo de harvesting.

En este artículo vamos a ver lo siguiente:

a) Identificar las consideraciones y compensaciones implicadas en el diseño de un módulo de harvesting solar.
b) Discutir las características deseadas en tal módulo de harvesting, y los servicios proporconados al resto del sistema para permitir la gestión de energía de harvesting.
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DISEÑO DE UN MÓDULO DE HARVESTING SOLAR
Un módulo de harvesting debe tener la máxima eficiencia y es muy importante una cuidadosa consideración del diseño y sus compensaciones asociadas.
. A) Características de las células solares
Las células solares tienen vastas diferencias características respecto a las baterías. Paneles característicos para estas aplicaciones pueden ser 3,75" x 2,5". Los paneles solares se caracterizan por dos parámetros, el voltaje en circuito abierto (Voc) y corriente de cortocircuito (Isc). Estos dos parámetros dan forma a la curva V-I, que interceptan los ejes x- e y-, respectivamente. El panel solar se comporta como una fuente de corriente limitada por el voltaje, al contrario que una batería que es una fuente de voltaje. Existe un punto de operación en el que la extracción de energía del panel se maximiza. Finalmente, cuando la cantidad de radiación solar incidente decrece (se incrementa), el valor de Isc también decrece (se incrementa). Sin embargo, Voc queda casi constante.
Debido a su comportamiento como fuente de corriente, es difícil conseguir el objetivo de potencia directamente del panel solar, ya que el voltaje de alimentación dependerá de la impedancia de carga variable en tiempo. Por ello, un elemento de almacenaje, tal como una batería, se usa para almacenar la energía por el panel y proporcionar un voltaje estable al sistema.
B ) Tecnologías de almacenamiento de energía.
Quizás la decisión de diseño más compleja y crucial implica el mecanismo de almacenamiento de energía. Las dos elecciones disponibles para almacenar energía son baterías y condensadores de doble capa electromecánicos, también conocidos como ultracondensadores. Las baterías son una tecnología relativamente madura y tiene una mayor densidad de energía (más capacidad para un volumen/peso dado) que los ultracondensadores, pero los ultracondensadores tienen una densidad de potencia más elevada que las baterías y han sido usadas para manejar subidas de potencia de corta duración. Recientemente, tales condensadores se han explorado para almacenamiento de energía, ya que son más eficientes que las baterías y ofrecen un tiempo de vida más alto en términos de ciclos de descarga. Sin embargo, implican pérdidas (intrínsicas y debidas a trayectorias parásitas en la circuitería externa), que evita su uso de almacenamiento de energía en el largo plazo. También es posible implementar un mecanismo de almacenamiento de energía superpuesto usando un ultracondensador y una batería, aunque la compensación decrece la eficiencia del circuito de harvesting debido al incremento de la gestión del almacenamiento de energía.
Cuatro tipos de baterías recargables se usan normalmente: Niquel-cadmio (NiCd), Hidruro de metal níquel (NiMH), Basadas en Litio (Li+), y ácido plomo selladas (SLA). De estas, se usan menos las baterías SLA y NiCD debido a que las más antiguas tienen una densidad de energía relativamente baja, y las últimas sufren de pérdidas de capacidad temporal causadas por ciclos de descarga poco profundas, denominadas como efecto memoria. La elección entre baterías NiMH y Li+ implican varias compensaciones. Las baterías de Li+ son más eficientes que las de NiMH y tienen una vida útil mayor. Las baterías de Li+ también requieren circuitos de carga más complicadas. Además, las baterías Li+ cargando a muy bajo nivel a menudo no es posible debido a problemas de aceptación de la carga, y por ello se produce degradación si se someten a ciclos de descarga profundas. Una consideración adicional es la edad de las baterías debido a los ciclos de descarga. Por ejemplo, las baterías de NiMH (cuando están sujetas a ciclos de descarga 100 % repetidos) producen una vida útil de aproximademante 500 ciclos, en cuyo punto la batería transmitirá aproximadamente el 80 % de su capacidad nominal. Esto no quiere decir que la batería no pueda usarse posteriormente, sino que tendrá solamente la capacidad de una nueva batería. La capacidad residual es significativamente más elevada si la batería está sometida solamente a ciclos de descarga poco profundas. A un ritmo de un ciclo de descarga por día, la batería durará varios años antes de que su capacidad llegue a ser cero.
C) Diseño del circuito de harvesting
El núcleo de un módulo de harvesting es el circuito de harvesting, que gestiona el almacenamiento de energía y las rutas adecuadas para que el sistema cumpla los objetivos previstos. La consideración más importante en el diseño del circuito es maximizar la eficiencia. Hay varios aspectos sobre esto. en primer lugar, como ya hemos indicado, los paneles solares tienen puntos de operación óptimos que producen máxima salida de potencia. El circuito de harvesting asegurará la operación en (o cerca) de este punto de potencia máximo, que se hará conectando los terminales de salida del panel solar a un voltaje fijo. Ya que el punto de potencia máxima cambia ligeramente con la hora del día (por cambios de radiación incidente), un circuito trazador del punto de potencia máxima puede usarse para buscar continuamente y operar en el punto óptimo. Sin embargo, los MPPT ICs están diseñados para aplicaciones de alta potencia tales como los calentadores de agua basadas en la energía solar, y por ello consumen mucha energía, evitando su uso en sistemas embebidos, solar harvesting y requerimientos de baja energía.
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Un convertidor DC-DC se usa a menudo para proporcionar un voltaje de suministro constante al sistema embebido. La elección del convertidor DC-DC depende del rango del voltaje de operación de la batería utilizada, además del voltaje de suministro requerido por el sistema objetivo. Si el voltaje de alimentación requerido cae dentro del rango de voltaje de la batería, se requiere un convertidor boost-buck, ya que el voltaje de la batería tendrá que incrementarse o decrecerse dependiendo del estado de la batería.
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Sin embargo, si el voltaje de alimentación cae fuera del rango de voltaje de la batería será suficiente un convertidor boost o un convertidor buck, que mejora significativamente la eficiencia del suministro de energía.
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Aunque hay cargas de baterías ICs especializadas, están diseñadas para regular la carga en corrientes significativamente más altas (ej. cargadores de pared) que unas pocas decenas de mA proporcionadas por un panel solar pequeño y son ineficientes (si son operables) a bajas corrientes.
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Finalmente, ya que el propósito primario es obtener energía eficientemente y utilizar cada mW precioso de energía proporcionado por cada panel solar, es deseable hacer el circuito harvesting como una aplicación tan específica como sea posible. Por ejemplo, la construcción de un circuito harvesting que trabaja con varios paneles solares y baterías NiCd, NiMX y Li+ es una decisión pobre debido a que la pérdidas de eficiencia que inevitablemente acompaña tal solución de propósito general.
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D) Medición de energía
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Para tomar decisiones de gestión de energía, el módulo harvesting tendrá capacidades de medición de energía. Esta característica puede usarse por medio del ICs. El sistema del objetivo será capaz de preguntar al módulo harvesting por la potencia instantánea proporcionada por los paneles solares, y el voltaje del terminal de la batería. Adicionalmente, un módulo harvesting también puede aprender del modelo de disponibilidad de energía solar, y construir y entrenar modelos-macro que proporcionan información sobre la llegada de energía del futuro.
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GESTIÓN DE LA ENERGÍA DEL SISTEMA HARVESTING
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Otro aspecto del diseño del sistema harvesting es explotar la capacidad de harvesting a través de estrategias de gestión de la energía apropiadas. Esto es especialmente importante en un sistema harvesting, tal como una red de sensores, donde cada nodo puede tener oportunidades de harvesting ambiental y así minimizar el consumo de energía total. Ello es necesario para adaptar el esquema de gestión de energía de forma que se tengan en cuenta variaciones espacio-temporales.
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Bibliografía: Raghunathan, V., Design Considerations for Solar Energy Harvesting Embedded Systems. Department of electrical Engineering. University of California.
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Palabras clave: Energy optimization techniques, electrochemical double layer capacitor, maximal power point tracker (MPPT)
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