energy harvesting en redes de sensores inalámbricas · ofrece mayor densidad de energía que el...
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Universidad Politécnica de Madrid
Energy Harvesting en Redes de Sensores
InalámbricasMariana Molina
Víctor Roselló
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Tercer Seminario Anual CEI
Mayo 2010
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Tercer Seminario Anual CEI
Mayo 2010
Energy Harvesting
▪ Es el proceso de captura de pequeñas cantidades de energía a partir de una o más fuentes de energía naturales y su acumulación para uso posterior.
¿En qué consiste?
¿Qué es?
▪ Energy harvesting consiste en convertir energías ambientales tales como vibraciones, temperatura, luz, etc. en energía eléctrica aprovechable, que se pueda almacenar o usar directamente para alimentar dispositivos electrónicos.
¿Qué ventajas tiene?
▪ Fuentes de energía son virtualmente ilimitadas
▪ Gratis
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Energy Harvesting
¿Cómo utilizarlo en WSNs?
▪ Dotar a los nodos de harvesters para captar la energía del medio en que esta desplegada la red.
▪ Ya existen múltiples sistemas basados en WSN que cosechan la energía producida en el medio en que están desplegadas, principalmente energía solar, mecánica (vibraciones) y electromagnética.
… y muchos más
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Zenith SpaceCommand
(1956) Control remoto pasivo para televisión
Basado en ultrasonidos Utiliza la energía generada al
pulsar un botón
Fully autonomous wireless temperature sensor
Obtiene su energía de la vibración .
Capaz de envía cada 15 segundos de forma inalámbrica los datos a una estación base.
Consumo 1,5 mW.
Principio del siglo XX Receptor de radio AM
Obtiene la energía desde las ondas de radio.
Solo podía escucharse de forma individual
Radio Galena
ORIGENESPRESENTE
Placa solar, procesador y batería integrados en un cubo de 9 mm3.
Millimeter-Scale Nearly Perpetual Sensor System
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Energy Harvesting
Energía Ambiental
Energía Eléctrica
TérmicaTermoeléctrica
Fotovoltaica
Solar
ElectrostáticaMagnetostrictivos
Piezoeléctricos
Mecánica
ElectromagnéticaOndas de Radio
Frecuencia
Eólica
Cinética
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FUENTES DE ENERGÍA
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Fuentes de Energía I
Paneles fotovoltaicos
▪ Características Ofrece mayor densidad de energía que el resto
de las fuentes. Debe funcionar siempre en máximo punto de
operación para obtener el máximo rendimiento.
La energía depende del tamaño de la celda y de la intensidad de la luz.
▪ Limitaciones Baja eficiencia. (<20%) Necesidad de elementos para almacenar la
energía.
Energía Solar Fotovoltaica
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Fuentes de Energía II
Aerogeneradores
▪ Características Intervalo de funcionamiento de los
aerogeneradores, 3 m/s (10 Km/h) y 25 m/s (90 Kh/h) Depende de la geometría del aerogenerador.
Puede utilizarse en generación mixta (p.ej Eólico - Solar)
▪ Limitaciones Dificultad de predecir el comportamiento
del viento Necesidad de fuente alternativa Necesidad de elementos de
almacenamiento de energía.
Eólica
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Fuentes de Energía III
Electrostática Magnetoestrictivos Piezoeléctrico
Vibraciones
▪ Características Diferentes productos para
diferentes frecuencias de resonancia
Desde 4 mW hasta > 100 mW
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Fuentes de Energía IV
RFIDs Pasivas
▪ Aplicaciones Identificación de productos Bibliotecas Control de animales Sistemas de control de acceso
▪ Limitaciones Necesidad de alta potencia de transmisión Proximidad al emisor
Ondas de Radio RFIDReader
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Fuentes de Energía V
Termogenerador Diodos térmicos
▪ Aplicaciones Enfriamiento de chips Control de temperaturas Aprovechamiento de energías
residuales
▪ Limitaciones Altas temperaturas Muy baja eficiencia (< 5%)
Termoeléctrica
Entrada de calorPlaca de Aluminio
Salida de calorRadiador
Módulo de acondicionamiento de
potencia de tensión fija
Nodo sensor inalámbrico
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Fuentes de Energía VI
Fuente de EnergíaDensidad de
PotenciaNotas
Solar 15mW/cm3 Depende del tamaño del panel y la intensidad de la luz.
Vibración 4 a 800 µW/cm3 En función de la frecuencia de Hz a KHz.
Termoeléctrica 40µW/cm3 Altas temperaturas.
Eólica 1mW/cm3
Depende de las condiciones atmosféricas , velocidad del
viento, geometría del aerogenerador.
Radio Frecuencia < 1µW/cm3 Depende de la distancia al transmisor.
Moghe, R.; Yi Yang; Lambert, F.; Divan, D.; , "A scoping study of electric and magnetic field energy harvesting for wireless sensor networks in power system applications.“ Vijay Raghunathan; Kansal, A.; Hsu, J.; Friedman, J.; Mani Srivastava; , "Design considerations for solar energy harvesting wireless embedded systems."
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Aplicaciones
Solar
Eólica
Térmica
Electromagnética
Cinética
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ENTORNO
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EntornoEnergy
Harvester
Almacenamiento de Energía
Gestión de Energía
Nodo sensor
ComunicacionesFPGA, µCSensores
Actuadores
Acondicionamiento
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COOKIE SOLAR
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Cookie Solar I
Capa de AlimentaciónCapa de ProcesamientoCapa de ComunicacionesCapa de Sensores
Panel Solar220 mW
Batería de Litio550 mAh
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Cookie Solar II
Convertidor Panel Solar
Convertidor USB
Cargador Comercial
Switch
IN_EXTSUP
IN_USB
Panel Solar
BATP+
USB
Reg.Lineal
3.3V
2.5V
1.25VFuente Externa Reg.
Lineal
Reg.Lineal
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Cookie Solar III
Autonomía
Rendimiento en el punto de máxima
potencia : 74%
Capacidad de descarga de la batería:
90%
Condiciones de prueba
Capa de sensores: temperatura, humedad y luz.
Capa de procesamiento: FPGA y µC
Capa de comunicaciones: módulo Zigbee
Ciclo de trabajo: 10% Con solo 5 horas de sol al día.
~ 7 días sin sol, sólo con batería.
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Buscar nuevas formas de cosechar la energía del medio
Mejorar la eficiencia de los harvesters
Mejorar la eficiencia energética de los sistemas
Hardware inteligente, que se adapte según la energía disponible
…
RETOS
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GRACIAS POR
SU ATENCIÓN