Download View/Open - Universidad Libre

EVALUACIÓN DE FUNCIONAMIENTO DE DISPOSITIVO ZIGBEE CON CAPTACIÓN DE
ENERGÍA TÉRMICA Y FOTOVOLTAICA
FERNANDO ÁLVAREZ BLANCO
C.C. N. 79.797.559
UNIVERSIDAD LIBRE
FACULTAD DE INGENIERÍA
INSTITUTO DE POSGRADOS
MAESTRIA EN INGENIERIA CON ÉNFASIS EN FUENTES ALTERNATIVAS DE
ENERGÍA
BOGOTÁ, NOVIEMBRE DE 2014
EVALUACIÓN DE FUNCIONAMIENTO DE DISPOSITIVO ZIGBEE CON CAPTACIÓN DE
ENERGÍA TÉRMICA Y FOTOVOLTAICA
FERNANDO ÁLVAREZ BLANCO
C.C. N. 79.797.559
Proyecto de grado para optar al título de MAGISTER EN INGENIERIA – ÉNFASIS EN
ENERGIAS ALTERNATIVAS
Asesor
ING. MAURICIO VLADIMIR PEÑA GIRALDO
UNIVERSIDAD LIBRE
FACULTAD DE INGENIERÍA
INSTITUTO DE POSGRADOS
MAESTRIA EN INGENIERIA CON ÉNFASIS EN FUENTES ALTERNATIVAS DE
ENERGÍA
BOGOTÁ, NOVIEMBRE DE 2014
Nota de aceptación
__________________________________
__________________________________
__________________________________
__________________________________
__________________________________
__________________________________
__________________________________
JURADO 1
__________________________________
JURADO 2
Ciudad y Fecha (día, mes y año):
3
Dedicado a todos aquellos que en un futuro no muy lejano lean, entiendan, y logren
aplicar algo del esfuerzo plasmado en el presente libro.
4
AGRADECIMIENTOS
Como la lista es muy larga, agradezco de forma general a todos aquellos que de una u
otra forma han dado su aporte material o inmaterial a las ideas expresadas en el presente
proyecto. De forma particular al Ing. Mauricio Vladimir Peña Giraldo quien de forma
valiente me brindó su guía en esta difícil labor, al Ing. Carlos Edilberto Vivas quién
colaboró como revisor de los aspectos técnicos del proyecto, y obviamente también a mis
padres, quienes siempre han tenido esa paciencia sobrenatural que sirve de apoyo moral
a todo lo que he obtenido en mi desarrollo profesional.
5
CONTENIDO
INTRODUCCION............................................................................................................... 16
1. ESTADO DEL ARTE......................................................................................................17
2. JUSTIFICACIÓN........................................................................................................... 19
3. OBJETIVOS.................................................................................................................. 20
3.1 OBJETIVO GENERAL.................................................................................................20
3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS.......................................................................................20
4. MARCO TEORICO........................................................................................................21
4.1 MARCO CONCEPTUAL..............................................................................................21
4.1.1 Teorema de máxima transferencia de potencia........................................................21
4.1.2 Regulador conmutado tipo boost..............................................................................23
4.1.2.1 Resistencia emulada.............................................................................................25
4.1.2.2 Eficiencia del convertidor boost.............................................................................27
4.1.3 Nodos inalámbricos ZigBee......................................................................................29
4.1.3.1 Uso de baterías en nodos inalámbricos.................................................................31
4.1.3.2 El módulo ZigBee Xbee.........................................................................................34
4.2 MARCO REFERENCIAL (ANTECEDENTES).............................................................36
4.2.1 Circuitos para múltiples fuentes de entrada..............................................................36
4.2.2 Energy Harvesting y nodos inalámbricos..................................................................40
5. DISEÑO DEL PROTOTIPO DE PRUEBAS...................................................................43
5.1 CARACTERIZACIÓN DE CAPTADORES DE ENERGÍA............................................44
5.1.1 Generador termoeléctrico.........................................................................................44
5.1.2 Celda fotovoltaica.....................................................................................................47
5.2 DISEÑO DE CIRCUITOS............................................................................................51
5.2.1 Etapa de control.......................................................................................................51
5.2.2 Etapa de potencia.....................................................................................................58
5.2.3 Comunicación ZigBee...............................................................................................63
5.2.4 Cargador de baterias NiCd.......................................................................................66
6. EXPERIMENTOS Y RESULTADOS..............................................................................68
6.1 DESCRIPCIÓN DE LOS EXPERIMENTOS................................................................68
6.1.1 Pruebas del prototipo sin fuentes externas...............................................................70
6.1.2 Autonomía con un solo captador de energía............................................................73
6
6.1.3 Combinación de generador termoeléctrico y celda fotovoltáica................................74
6.2 ANÁLISIS ESTADÍSTICO............................................................................................78
7. ANALISIS Y CONCLUSIONES......................................................................................82
8. BIBLIOGRAFÍA.............................................................................................................. 85
7
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Comparación de diferentes tecnologías inalámbricas..........................................41
Tabla 2. Valores de voltaje, corriente, potencia y resistencia en los puntos de máxima
potencia para el generador termoeléctrico TEG G2-35-0315............................................47
Tabla 3. Valores de voltaje, corriente, potencia y resistencia en los puntos de máxima
potencia para la celda fotovoltaica SLMD121H10L...........................................................50
Tabla 4.Especificaciones de potencia para los dispositivos Xbee / XbeePro.....................64
Tabla 5. Comparativo de consumo predicho vs. medido en circuito de prueba.................71
Tabla 6.Autonomía del prototipo HYBRID-V1 a diferentes tiempos de carga....................72
Tabla 7. Autonomía de prototipo HYBRID-V1 con captador termoeléctrico.......................73
Tabla 8. Autonomía de prototipo HYBRID-V1 para celda fotovoltaica SLMD121H10L......73
Tabla 9. Número de pulsos NK y periodo de tiempo para cada uno de los niveles del
experimento factorial......................................................................................................... 76
Tabla 10. Resultados de experimentos para combinación de factores. Los valores
numéricos están en unidades de segundos......................................................................78
Tabla 11. Valores de diseño ingresados al software Design Expert...................................80
Tabla 12. Resultados del análisis ANOVA hecha por el software Design Expert®.............81
8
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.Esquema del sistema propuesto.........................................................................18
Figura 2. Transductor de energía modelado como una fuente de voltaje (Vs) en serie con
una resistencia de fuente (RS)..........................................................................................21
Figura 3. Potencia transferida normalizada en función de la resistencia normalizada.......22
Figura 4.Esquema general del convertidor tipo boost........................................................23
Figura 5.Conmutación en el circuito boost. (a)Intervalo T1, (b) Intervalo T2......................24
Figura 6.Modelo de circuito boost con MOSFETS de conmutación...................................27
Figura 7. Comparación del Estándar ZigBee con Bluetooth e IEEE 802.11b.....................30
Figura 8. Ejemplo de perfil de corriente de un dispositivo en una red ZigBee...................31
Figura 9.Curvas de descarga para celdas cilíndricas de NiMH.........................................33
Figura 10.Curvas de carga para celdas cilíndricas de NiMH.............................................34
Figura 11. Esquema interno del módulo ZigBee Xbee.......................................................35
Figura 12. Convertidor Boost de múltiples entradas..........................................................36
Figura 13. Operación multiplexada en tiempo del convertidor propuesto para K fuentes de
entrada.............................................................................................................................. 37
Figura 14.Ciclo de transferencia de energía. (a) Ciclo N1. (b) Ciclo N2............................38
Figura 15. Convertidor de múltiples entradas tipo “Parallel Hybrid Energy Harvesting”.....39
Figura 16.Diagrama de bloques del sistema implementado..............................................43
Figura 17.Circuito para obtención de curvas de potencia..................................................44
Figura 18. Montaje para generador termoeléctrico. a) 1: TEG, 2: Marco plástico para TEG,
3: Celda Peltier en marco plástico, 4: Sondas de termómetro digital UNIT-T UT325, 5:
Disipador de computador, 6: Separadores de aluminio; b) Ensamble final........................45
Figura 19. Curvas de potencia para el generador termoeléctrico TEG G2-35-0315..........46
Figura 20.Eficiencia cuántica (EQE) vs. longitud de onda para la celda solar
SLMD121H10L.................................................................................................................. 47
Figura 21.Espectro de emisión relativo para el diodo led LUW CQAR-MTNP-JPJR-1......48
Figura 22. Montaje para celda fotovoltaica. a) 1: Luxómetro, 2: Sensor del luxómetro, 3:
Celda fotovoltaica, 4: Sensor de comprobación; b) Ensamble final...................................49
Figura 23. Curvas de potencia para la celda fotovoltaica SLMD121H10L.........................50
Figura 24.Diagrama esquemático del circuito de control...................................................52
9
Figura 25. Gráfica voltaje – frecuencia para PIC18LF2420/2520/4420/4520.....................54
Figura 26. Diagrama de flujo general del código de control...............................................55
Figura 27. Esquema de circuito boost de múltiples entradas usado como referencia........59
Figura 28.Diagrama esquemático de la etapa de potencia................................................61
Figura 29. Esquema de la comunicación ZigBee...............................................................64
Figura 30.Diagrama de flujo de la función 'trama_xbee'....................................................65
Figura 31.Diagrama esquemático del cargado de batería.................................................66
Figura 32. Circuito prototipo HYBRID-V1..........................................................................69
Figura 33. Diagrama de flujo de interrupción por desborde de Timer3..............................74
Figura 34.Imagen de osciloscopio con pulsos de control SW1 y SW2 para generador
termoeléctrico @ 4ºC y celda fotovoltáica @300 lx...........................................................77
Figura 35.Imágenes de osciloscopio de pulsos de control en (a) celda fotovoltaica y (b)
generador termoeléctrico...................................................................................................77
10
LISTA DE ANEXOS
•
Código de control en lenguaje C para microcontrolador PIC18LF4520® para la
tarjeta Hybrid – V1.
•
Datasheet's: Microcontrolador PIC18LF4520,
XB24-Z7WIT-004,
celda
fotvoltaica
módulo inalámbrico ZigBee Xbee
SLMD121H10L,
led
720-
LUWCQARMTNPJPJQ1, generador termoeléctrico TEG G2-30-0313, celda de
efecto Peltier CP60440, diodo BAT 85, transistor MOSFET APM2054, transistor
MOSFET FDD6688, bobina Murata Power 1447440C, driver de MOSFET
MIC5014, driver de MOSFET
IRS4427, circuito integrado elevador de voltaje
ICL7660, circuito integrado regulador de voltaje LM317.
•
Instrumentos de medición: Multímetro digital TECH TM-135, multímetro digital UNIT UT71B®, osciloscopio UNI-T UT2062CE®, termómetro digital UNI-T UT325®,
luxómetro Minipa MLM-1011.
11
GLOSARIO
Energy harvesting / scavenging: se refiere al proceso mediante el cual la energía que se
encuentra en el ambiente es convertida en electricidad para alimentar pequeños
dispositivos autónomos haciéndolos autosuficientes (1).
Datasheet1: Especificación de un fabricante que contiene los parámetros de un dispositivo
o circuito integrado, sus funciones, y pines de conexión (2).
Firmware: Se conoce como firmware al conjunto de instrucciones de un programa
informático que se encuentra registrado en una memoria ROM, flash o similar. Estas
instrucciones fijan la lógica primaria que ejerce el control de los circuitos de alguna clase
de artefacto (3).
Microcontrolador: Un microcontrolador es un circuito integrado de alta escala de
integración que incorpora la mayor parte de los elementos que configuran un controlador.
Un microcontrolador dispone normalmente de los siguientes componentes: Procesador o
UCP (Unidad Central de Proceso). Memoria RAM para Contener los datos. Memoria para
el programa tipo ROM/PROM/EPROM. Líneas de E/S para comunicarse con el exterior.
Diversos módulos para el control de periféricos (temporizadores, Puertas Serie y Paralelo,
CAD: Conversores Analógico/Digital, CDA: Conversores Digital/Analógico, etc.) (4).
PWM: La modulación por ancho de pulsos (también conocida como PWM, siglas en inglés
de pulse-width modulation) de una señal o fuente de energía, es una técnica en la que se
modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica (una senoidal, por ejemplo), ya sea
para transmitir información a través de un canal de comunicaciones, o para controlar la
energía que se envía a una carga. (5).
Sensibilidad espectral: Sensibilidad espectral es la eficiencia relativa de la detección, de la
luz u otra señal, como una función de la frecuencia o longitud de onda de la señal (6).
Supercapacitores: El supercapacitor, también conocido como ultracapacitor o capacitor de
1
Esta definición es traducción del autor de la fuente citada.
12
doble capa, difiere de un capacitor normal en su muy alta capacitancia (7).
Transceptor: Un transceptor es un dispositivo que cuenta con un transmisor y un receptor
que comparten parte de la circuitería o se encuentran dentro de la misma caja. Cuando el
transmisor y el receptor no tienen en común partes del circuito electrónico se conoce
como transmisor-receptor (8).
UART: Acrónimo de Universal Asynchronous Receiver-Transmitter. Es un chip cuya misión
principal es convertir los datos recibidos del bus del PC en formato paralelo, a un formato
serie que será utilizado en la transmisión hacia el exterior. También realiza el proceso
contrario: transformar los datos serie recibidos del exterior en un formato paralelo
entendible por el bus (9).
.
WSN: (Red de sensores inalámbricos) Redes de sensores conformadas por un conjunto
de sensores los cuales se comunican con otros, típicamente a través de canales
inalámbricos, para recolectar datos del ambiente distribuidos espacialmente (10).
13
RESUMEN
Dada la aplicabilidad que los nodos inalámbricos presentan en un gran número de áreas
como domótica, control de procesos, monitoreo de variables ambientales, etc., surge un
reto tecnológico asociado con mejorar la autonomía para que los dispositivos relacionados
con cada solución operen de forma confiable, teniendo en cuenta que el éxito de la
implementación en nodos inalámbricos radica en su operación autónoma por largos
periodos de tiempo sin necesidad de intervenciones repetidas en la fuente de
alimentación. La técnica conocida como energy harvesting / scavenging plantea
alternativas de solución a dichas situaciones mediante la captación de energía en el sitio
de instalación.
Es posible encontrar en bases de datos bibliográficas dos formas de alcanzar mejores
autonomías en sistemas que aplican la técnica energy harvesting / scavenging a nodos
inalámbricos: una consiste en optimizar los algoritmos de enrutamiento y manejo de la
información para alcanzar el menor consumo de energía posible; la otra es aumentar la
cantidad de energía disponible para el dispositivo, ya sea aumentando la cantidad de
energía captada o usando acumuladores (baterías o supercapacitores) que sean capaces
de proveer energía por largos periodos de tiempo.
La estrategia escogida para el presente proyecto es aumentar la cantidad de energía
captada por medio de un sistema que combine de forma controlada el aporte energético
de una fuente fotovoltaica y otra termoeléctrica, buscando que el nodo inalámbrico logre
aumentar su autonomía de forma significativa en comparación a un sistema que solo
cuente con uno de los dos captadores.
La organización del presente trabajo tiene la siguiente estructura:
•
En el capítulo 1 se plantea el estado del arte respecto al tema abordado en el
presente proyecto.
•
En el capítulo 2 es desarrollada la justificación para el desarrollo del presente
trabajo.
14
•
En el capítulo 3 son definidos los objetivos general y específicos tal como fueron
aprobados en el anteproyecto
•
En el capítulo 4 se hace un desarrollo del marco teórico del presente proyecto.
Está dividido en marco conceptual, en donde son explicados de forma resumida
algunos conceptos que hacen parte del estado del arte en el área de la
electrónica; y en marco referencial, en donde son planteados los antecedentes
conceptuales necesarios para el planteamiento del presente proyecto y que
hicieron parte de la revisión bibliográfica desarrollada previamente.
•
En el capítulo 5 es explicado el procedimiento llevado a cabo para el desarrollo del
prototipo de pruebas.
•
En el capítulo 6 son explicados los criterios, procedimientos y resultados de los
experimentos desarrollados con el propósito de obtener los datos usados para
evaluar la autonomía del sistema.
•
En el capítulo 7 se hace un análisis de los resultados y se presentan algunas
recomendaciones para futuros desarrollos basados en el presente proyecto.
15
INTRODUCCION
Al hacer un repaso por la historia de las fuentes de energía, se observa que originalmente
todas las fuentes de energía modernas eran, de un modo u otro, alternativas al entorno y
a la época en que hicieron su aparición (11). Ejemplo de esto es la variedad de formas
como se impulsaron los primeros vehículos, entre las cuales se puede encontrar aire
comprimido (12), vapor (13,14), pilas eléctricas (15,16), etanol (17,18), entre otros.
Muchas de estas tecnologías se han retomado en un esfuerzo por contar con fuentes
alternativas de energía que suplan el creciente consumo originado en su mayoría por
productos tecnológicos que operan con electricidad.
Con los evidentes problemas energéticos que se presenta el mundo en la actualidad,
derivados principalmente del crecimiento en la demanda de energía, a nivel mundial se
suman esfuerzos por el desarrollo de estas viejas/nuevas tecnologías para lograr la
seguridad energética que permita un desarrollo sostenible y sustentable de las regiones y
los países. Europa, que en el 2013 tenía 8 países dentro de los 10 primeros puestos del
ranking se sustentabilidad energética del World Energy Council (19), posee recursos
energéticos limitados y una demanda en constante aumento, siendo por estas razones un
claro ejemplo de cómo las sociedades mismas se deben transformar para abrir paso a
nuevas formas y métodos de obtención de energía para no ir en contravía de las políticas
y necesidades particulares de cada país o región. En Colombia, que en el mismo ranking
de la World Energy Council ocupa el lugar 24, ha mostrado con la sanción de la ley 1715
de 2014 su interés en establecer un marco legal que permita incluir las fuentes no
convencionales de energía dentro de las políticas energéticas a nivel nacional.
Con todo lo anterior, podría decirse que existe un renovado interés por el desarrollo de
fuentes alternativas de energía. Pero la parte importante de todas las investigaciones
realizadas en la materia radica en el aprovechamiento que se haga de estas fuentes en
nuevas soluciones que apunten al uso eficiente de la energía, cualquiera que sea la
fuente. En este ámbito, las aplicaciones para nodos sensores inalámbricos como sistemas
autónomos de energía en ciudades inteligentes presentan un especial interés, teniendo en
cuenta que dichos nodos son los que proveen la información para dotar de “inteligencia” a
los centros urbanos.
16
1. ESTADO DEL ARTE
La aparición de dispositivos nodos sensores inalámbricos y su aplicación en redes de
sensores inalámbricos (WSN por sus siglas en inglés – Wireless Sensor Networks) ha
generado desde hace algunos años la necesidad de desarrollar sistemas de alimentación
que le permitan a dichos nodos operar de forma independiente de un sistema eléctrico
cableado, sin sacrificar la autonomía o confiabilidad de la WSN. Las soluciones iniciales
implementadas en estos sistemas están basadas en el uso de baterías primarias como
fuente de alimentación (20), pero esto implica contemplar como actividad adicional al
montaje el reemplazo de estas baterías. Aunque las tecnologías y materiales como las de
iones de Litio y Lítio-polímero permiten tener mayores densidades energéticas en relación
al peso de las baterías, la vida útil de estas fuentes de energía siempre será limitada (21).
Como alternativa al uso de baterías en los nodos sensores inalámbricos se ha venido
avanzando en el desarrollo de la técnica conocida como energy harvesting/scavenging, en
la cual se busca que elementos como celdas fotovoltaicas (20,22–25), celdas TEG2 (26–
29), dispositivos electromecánicos (30,31), etc., capturen energía del ambiente en el sitio
de instalación del nodo inalámbrico, para alimentar dichas unidades en combinación con
fuentes recargables de electricidad como baterías o supercapacitores (32,33).
La mejora en la eficiencia de los captadores de energía disponibles comercialmente (34)
ha posibilitado un avance significativo en cuanto a la variedad de sistemas propuestos
para maximizar la autonomía de nodos inalámbricos (30). Buscando aumentar la cantidad
de energía disponible para el funcionamiento de estos nodos, se han desarrollado
propuestas recientes que permiten la captura de múltiples fuentes de energía ambiental
(22,35,36) en donde las propuestas para los circuitos de control y supervisión de la
energía basan su operación en sistemas conmutados, buscando con esto tener una
óptima transferencia de potencia a la carga, que en el caso propuesto sería la batería
recargable destinada para el almacenamiento de la energía captada que luego será
empleada por el nodo inalámbrico para su normal funcionamiento.
Como alternativa para aumentar la cantidad de energía disponible para el funcionamiento
2
Siglas en ingles para Generador Termoeléctrico (Thermo-Electric Generator)
17
de un nodo inalámbrico, se ha tomado como base para el presente proyecto el artículo “A
Multiple-Input Boost Converter for Low-Power Energy Harvesting”, en donde se propone
un circuito que conmuta entre las fuentes de energía, buscando de esta forma aplicar un
control separado para cada una de estas. Se diferencia el circuito desarrollado con
propuestas como la de Tan y otros (36) en donde dos captadores entregan energía de
forma simultánea para aportar a la autonomía de un nodo inalámbrico.
Figura 1.Esquema del sistema propuesto
Planteado lo anterior, se construyó un sistema como el que se muestra en la figura 1, que
toma energía de un generador termoeléctrico y una celda fotovoltaica para aportar
energía extra a la batería que alimenta todo el sistema, cuya carga es un dispositivo
inalámbrico tipo ZigBee. Se determinó que el aporte de dos fuentes de energía diferentes
pueden mejorar la autonomía de este tipo de nodo inalámbrico en comparación con el
aporte de un solo captador.
Para la evaluación del sistema propuesto fue utilizado un experimento factorial que toma
al generador termoeléctrico y a la celda fotovoltaica como factores (elementos de entrada)
y la autonomía del nodo inalámbrico como respuesta. La elección de este método para
evaluar el comportamiento de dicho sistema radicó en la dificultad de crear un modelo
determinístico del mismo, teniendo en cuenta que el consumo de energía del nodo
inalámbrico tiene variaciones en el tiempo muy complejas de modelar.
18
2. JUSTIFICACIÓN
La importancia fundamental para este y otros trabajos similares radica en mejorar las
condiciones de operación de redes de sensores inalámbricos (WSN). Las aplicaciones
para estas WSN en muchos aspectos de la ingeniería son virtualmente ilimitadas, desde
control de edificios inteligentes a sistemas de cuidado de la salud, sistemas de control
ambiental, entre otros (29). Aparte del evidente impacto ambiental originado por el
consumo energético de densas redes de sensores, también debe sumarse a la instalación
los costos de mantenimiento originados por el reemplazo constante de baterías(37), las
cuales típicamente brindan la autonomía a cada nodo sensor.
Al tomar energía del sitio de instalación y usarla para recargar la fuente de alimentación
para cada nodo sensor, la técnica denominada energy harvesting/scavenging ha entrado
a jugar un papel importante como soporte para superar las limitaciones propias de las
baterías en dichos nodos. Esta posibilidad, combinada con la constante reducción en el
consumo de energía de circuitos integrados y otros dispositivos electrónicos, hace posible
pensar en verdaderas redes de sensores inalámbricos autónomos en energía (29).
En particular, para el presente proyecto se hace uso de dos fuentes para aumentar la
cantidad de energía disponible por el nodo inalámbrico, lo cual es conocido como Hybrid
Energy Harvesting (HEH). Este concepto ha sido recientemente discutido en la literatura
[26], [29], [30], haciendo que los resultados obtenidos en el presente proyecto puedan
servir como material de referencia para aquellos ingenieros, técnicos y demás
profesionales relacionados que requieran en sus diseños una fuente de aprovechamiento
de energía adecuada a las necesidades de alimentación eléctrica para dispositivos
electrónicos usados en redes de sensores, domótica, etc.; esto generará beneficios en
cuanto al conocimiento base sobre el cual se puedan apoyar futuros diseños en las áreas
de aprovechamiento de energías y redes de sensores inalámbricos.
19
3. OBJETIVOS
3.1 OBJETIVO GENERAL
Evaluar la autonomía que un circuito boost de dos entradas provee a un nodo ZigBee
tomando energía del ambiente de una fuente fotovoltaica y una fuente termoeléctrica.
3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
•
Establecer las condiciones y requerimientos de funcionamiento para los prototipos
y sistemas que serán implementados en el presente proyecto, así como la forma de
verificar y evaluar los resultados obtenidos.
•
Crear los correspondientes prototipos teniendo en cuenta para estos los
parámetros establecidos como resultado del objetivo específico anterior.
•
Desarrollar las pruebas experimentales pertinentes que permitan obtener datos
acerca del funcionamiento de los prototipos y el nodo ZigBee bajo las condiciones de
operación definidas
•
Evaluar los datos obtenidos durante la fase de pruebas experimentales para
presentar las conclusiones y sustentaciones correspondientes.
20
4. MARCO TEORICO
4.1 MARCO CONCEPTUAL
4.1.1 Teorema de máxima transferencia de potencia. Muchas aplicaciones de circuitos
requieren que la máxima potencia disponible de una fuente se transfiera a una carga
determinada. El problema general de la transferencia de potencia puede examinarse en
términos de la eficiencia y la economía. Los sistemas eléctricos se diseñan para llevar la
potencia a la carga con la mayor eficiencia, al reducir las pérdidas en las líneas de
transmisión. Por ello, el esfuerzo se centra en reducir R S que representaría la resistencia
de la fuente más la de la línea (38).
Considérese el circuito de la figura 2 (35), en donde la parte que está a la izquierda de la
línea punteada representa el captador de energía, y la que se encuentra a la derecha
representa la carga eléctrica unida a esta fuente.
Figura 2. Transductor de energía modelado como una fuente de voltaje (Vs) en serie con
una resistencia de fuente (RS).
Fuente: C. Shi, B. Miller, K. Mayaram, y T. Fiez, «A Multiple-Input Boost Converter for
Low-Power Energy Harvesting», Circuits Syst. II Express Briefs IEEE Trans. On, vol.
58, n.o 12, pp. 827 -831, dic. 2011.
En la figura 2, VS representa un voltaje ideal que entregaría la fuente sin las pérdidas
debidas a RS, y VL es el voltaje sobre la resistencia de carga RL. Generalmente tanto la
fuente (VS y RS) como la carga (RL) están representando circuitos más complejos
conformados por resistencias, fuentes dependientes y fuentes independientes de voltaje y
corriente, pero para propósitos prácticos se realiza la reducción de todos estos
componentes a un modelo equivalente como el de la figura 2, aplicando para esto el
21
Teorema de Thévenin. Para lograr definir la potencia máxima P MAX que es posible extraer
del captador de energía con una carga dada, es necesario desarrollar la ecuación de
malla sobre el circuito, lo que resulta en:
i=
Vs
RS + R L
V 2S RS
V 2S
P MAX =
=
(2 R S )2 4 RS
(1)
(2)
Las ecuación (1) muestra la corriente i que circula por el circuito de la figura 2 en función
de las variables VS, RS y RL , y la ecuación (2) define el valor de la potencia máxima P MAX
que es posible transferir de una fuente (el captador de energía en este caso) a una carga
unida a esta, teniendo en cuenta que la condición para que ocurra esta transferencia de
potencia máxima es que la resistencia RS debe ser igual a la resistencia de carga RL. Para
ilustrar el comportamiento de la potencia con respecto a la relación entre la resistencia de
carga y la resistencia de fuente se presenta la figura 3 (39) , en donde se puede observar
que cuando las dos resistencias presentes en el circuito son iguales, la potencia
transferida llega a un máximo, el cual será denominado en adelante como el punto de
máxima potencia.
Figura 3. Potencia transferida normalizada en función de la resistencia normalizada.
Fuente: «Teorema de Máxima Transferencia de Potencia», sistemaselectricosiupsm.
22
Para que la gráfica 3 sea aplicable, se debe tener en cuenta que solo está contemplada la
parte resistiva de la impedancia de carga, ya que se supone que las reactancias (tanto
inductivas como capacitivas) están compensadas.
4.1.2 Regulador conmutado tipo boost. El núcleo fundamental para el funcionamiento del
circuito que convierte la energía de cada uno de los captadores (termoeléctrico o
fotovoltaico) a niveles que sean útiles para aportar a la autonomía del nodo inalámbrico lo
constituye el regulador switcheado conocido como “convertidor tipo boost” o convertidor
elevador (40).
Figura 4.Esquema general del convertidor tipo boost
Fuente : F. L. Luo y H. Ye, Advanced DC/DC Converters. CRC Press, 2003.
El circuito boost de la figura 4 está conformado por un inductancia L, un diodo D, un
conmutador S y un condensador C; la fuente V1 es el voltaje de entrada al convertidor (o
de salida del captador, en el caso de este proyecto), y R representa la carga eléctrica de
todo el circuito boost. Para entender el funcionamiento de este circuito es necesario
analizarlo en dos momentos que corresponden a cuando el interruptor S está en posición
“cerrado” y cuando está en posición “abierto”.
En general, aplicando la "Ley de Lenz" para el intervalo de tiempo en que el conmutador
está cerrado, ó T1 de la figura 5(a):
23
V L =V I ; Δ t=T 1 ⇒ Δ I 1 =
(V I T 1)
L
(3)
En donde VL es el voltaje en la inductancia, VI es la fuente de voltaje, y ΔI1 es el cambio en
la corriente a través de la inductancia L en el intervalo de tiempo T1.
Figura 5.Conmutación en el circuito boost. (a)Intervalo T1, (b) Intervalo T2
(a)
(b)
Fuente : F. L. Luo y H. Ye, Advanced DC/DC Converters. CRC Press, 2003.
Es de notar que ΔI1 no depende de V2 ni del valor de la carga, significando que el proceso
de carga de la bobina es totalmente independiente del resto del circuito. Ahora, para el
intervalo T2 o intervalo de tiempo en que el interruptor S (figura 5(b)) está abierto se tiene.
V L =V I −V 2 ; Δ t=T 2 ⇒ Δ I 2=
((V I −V 2 )T 2)
L
(4)
Durante T2 el voltaje de salida V2 no es rigurosamente constante y en la ecuación (4) se
debe usar el valor promedio de V2 durante el intervalo T2; de otro lado, téngase presente
que V2 > VI , de modo que ΔI2 es una cantidad negativa. En estado estacionario ΔI1 =
-ΔI2 y entonces:
(V I T 1 ) ((V 2−V I ) T 2)
(V (T +T )) (V T )
=
⇒ V 2= I 1 2 = I
L
L
T2
T2
(5)
Para que la ecuación (5) sea más útil, conviene expresarla en función de D (Duty Cycle –
Ciclo Útil); para ello basta con reemplazar T 2 = T - T1 y
24
dividiendo numerador
y
denominador por T se obtiene finalmente ( durante T2, ya que V2 = 0 durante T1 ).
V 0=
VI
1− D
(6)
Dado que: 0 ≤ D ≤ 1 se ve que v O sólo puede ser mayor que VI, con lo cual el circuito
hace honor a su nombre de "elevador" (41). Puede observarse además que mientras más
grande es el ciclo útil (valores cercanos a 1) el voltaje de salida tiende a infinito, lo cual es
obviamente imposible dado que los componentes reales que se usan para implementar
este tipo de convertidor presentan no-idealidades como resistencias intrínsecas,
capacitancias parásitas, retardos de propagación, entre otros, que reducen el valor de
voltaje máximo que puede obtenerse en
V2. Cabe anotar que para el interruptor S
normalmente se emplea un transistor, el cual teniendo en cuenta sus características
propias de operación limitará aún más la proporción en que el voltaje de salida se elevará
con respecto al voltaje de entrada de este tipo de convertidor.
4.1.2.1 Resistencia emulada. Otro aspecto asociado al comportamiento del convertidor
tipo boost es la posibilidad que tiene de emular una resistencia. La explicación de este
fenómeno se da debido a que un elemento resistivo (la carga en este caso) solo disipa
potencia en razón al voltaje efectivo que incide sobre la misma (38,42). Al tener
variaciones del ciclo útil D en la señal de control del convertidor boost se puede tener
variaciones de este voltaje efectivo y por ende de la impedancia que “ve” cada uno de los
captadores de energía en el caso particular de este proyecto. Este concepto puede
entenderse partiendo de la energía que es almacenada en el condensador C durante
cada ciclo de conmutación del circuito boost mostrado en la figura 4.
ECICLO =
2
V TH
T 2N
2L
(7)
En donde ECICLO es la energía entregada al condensador en cada ciclo T N, VTH el es voltaje
Thevenin que corresponde al entregado por cada fuente en el punto de máxima potencia,
y L es el valor de la inductancia del circuito boost (43) . Esta entrega de energía se repite
en cada ciclo, y de esta forma la potencia entregada al condensador C sería:
25
2
2
V ·T
PC =ECICLO · f s= TH N · f s
2· L
(8)
De la ecuación (8), PC es la potencia entregada al condensador, y fs es la frecuencia de
conmutación del interruptor S (figura 4). Como en estado estable la potencia entregada al
condensador C debe ser igual a la potencia extraída de cada captador (generador
termoeléctrico o celda fotovoltaica en este caso), de la ecuación (2) que define la máxima
transferencia de potencia y PC de la ecuación (8) se obtiene:
2
2
2
V TH V TH · T N
2· L
=
f s ⇒T 2N · f s=
RT
2·L
RT
(9)
El valor de RT de la ecuación (9) es el de la resistencia Thevenin necesaria para lograr la
máxima transferencia de potencia. Teniendo en cuenta que para aplicar la ecuación (9) al
método conocido como Pulse Counting Control (PCC) (35) TN debe ser la mitad del
periodo de reloj, el valor de fs para lograr la máxima transferencia de potencia puede
obtenerse de:
f s=
RT
8·L
(10)
Además, para lograr máxima transferencia de potencia, la resistencia Thevenin de una
fuente debe ser igual a la resistencia de carga, o resistencia emulada en este caso, de
modo que despejando RT de la ecuación (10) se obtendría finalmente el valor de la
resistencia emulada por el circuito boost
Rem =8 · L·f s =
8· L
T CLK
(11)
Como consideración adicional, el valor de TCLK corresponde al periodo de tiempo para
cada ciclo en que se transfiere energía al condensador C, el cual también se conoce
como el periodo de conmutación del circuito boost como se verá mas adelante.
26
4.1.2.2 Eficiencia del convertidor boost. (44)3A pesar que los convertidor elevadores
inductivos pueden ser altamente eficientes, una selección inadecuada del tipo de
convertidor, frecuencia de operación y/o componentes externos, puede conducir a un
diseño ineficiente. Por lo tanto, hacer cálculos precisos de la eficiencia ayuda a identificar
los aportes individuales en las pérdidas y provee la visión necesaria en el diseño de un
convertidor boost eficiente.
Para iniciar, tómese un convertidor boost asíncrono estándar. Puede hacerse una
aproximación simple a la eficiencia usando un modelo de primer orden en donde el ciclo
útil ideal puede obtenerse de la ecuación (6) , y en donde la corriente promedio del
inductor IIN = (IOUT / 1-D) son usados para estimar las pérdidas en los transistor MOSFET
de conmutación, el diodo Schottky y el inductor.
Figura 6.Modelo de circuito boost con MOSFETS de conmutación
El circuito de la figura 6 ilustra los componentes involucrados en un convertidor tipo boost,
en donde V1 representa el voltaje de entrada, Q2 es el MOSFET que hace las veces de
conmutador que conecta y desconecta dicha fuente del resto del circuito (la utilidad de
este conmutador será explicado en la sección 4.2.1), L1 representa el inductor y R1 la
resistencia interna del mismo, Q1 es el MOSFET que hace las veces del conmutador S de
la figura 4, y D1 es un diodo tipo Schottky. Con estos elementos, la eficiencia podría
calcularse como:
3 En su mayoría, este capítulo es traducción que hace el autor de la fuente citada
27
eff =
POUT P ENT −(P LOSS ) P ENT −(P Q 2+ P Q 1+ P L1 + P DIODO )
=
=
P ENT
P ENT
PENT
(12)
En donde PENT es la potencia suministrada por la fuente y P LOSS son la pérdidas totales de
potencia en el circuito boost, en donde se incluyen las pérdidas en los MOSFET's Q1 y
Q2, PL1 son las pérdidas en la inductancia L1, y PDIODO las del diodo Schottky D1.
PQ 1=I 2L 1 x R Q1 x D=(
I OUT 2
) x RQ1 x D
1−D
(13)
2
I
PQ 2=I x R Q 2=( OUT ) x R Q2
1−D
(14)
I OUT 2
PL 1=I x R1=(
) x R1
1−D
(15)
2
L1
2
L1
2
PDIODO =( R D x I OUT )+(V F x I OUT )
(16)
Las ecuaciones (13) - (16) describen las pérdidas que se relacionan en la ecuación (12),
en donde IL es la corriente por la inductancia L1, R 1 es la resistencia intrínseca de la
inductancia L1, RQ1 y RQ2 son las resistencias internas de los MOSFET's Q1 y Q2
respectivamente, IOUT es la corriente de salida del circuito boost , D es el ciclo útil, R D es la
resistencia en conducción del diodo D1 y VF es el voltaje en directo del mismo diodo.
El anterior modelo es un estimativo muy aproximado; sin embargo, la aproximación inicial
para el ciclo útil D ignora las pérdidas internas del circuito y termina desestimando los
efectos del ciclo útil rspecto a la corriente de entrada. Esencialmente, el ciclo útil debe
incrementarse para compensar estas pérdidas internas. De forma consecuente, los
cálculos iniciales para el ciclo útil deben así mismo incluir un componente de la eficiencia,
retomando la ecuación (12) se puede obtener:
28
eff x PENT =POUT ; eff x V 1 x (
I OUT
V −(eff x V 1)
)=V OUT x I OUT ; D= OUT
1−D
(V OUT )
(17)
Debido a lo anterior, el modelo de primer orden resultado de las ecuaciones (12) - (16)
tendrá una mayor diferencia respecto de la eficiencia a medida que aumenta la diferencia
entre la potencia de entrada y la de salida. Estos cálculos requieren de un modelo que
realice los cálculos del ciclo útil basado en las pérdidas de potencia debidas a los
componentes y usar este valor para calcular la corriente de entrada del circuito, de nuevo
usando la relación entre la corriente de entrada (la misma corriente por el inductor L1) y la
de salida IIN = (IOUT / 1-D ).
Dado que solo están contempladas las pérdidas en DC, esta eficiencia calculada solo es
exacta cuando el convertidor opera en modo de conducción continua y con un rizado de
corriente pequeño en el inductor, además que las pérdidas en DC sean mucho más
pequeñas que las pérdidas por conmutación. Sin embargo, cuando este no es el caso y el
rizado de corriente en el inductor y/o las pérdidas por conmutación se aproximan o
superan las pérdidas en DC, las ecuaciones anteriores se desvían aun más de la
eficiencia real.
4.1.3 Nodos inalámbricos ZigBee. (45)4 Zigbee es un estándar que define un conjunto de
protocolos de comunicación para redes inalámbricas de baja tasa de datos y corto
alcance. Los dispositivos inalámbricos basados en ZigBee operan en las bandas de
frecuencia de 868 Mhz, 915 Mhz y 2,4 GHZ. La tasa máxima de transmisión de datos es
de 250 kbits por segundo. ZigBee principalmente está orientado a aplicaciones
alimentadas por baterías en donde las bajas tasas de datos, los bajos costos y una larga
vida de la batería son requisitos principales. En muchas aplicaciones ZigBee, el tiempo
total en que el dispositivo inalámbrico está ocupado en algún tipo de actividad es muy
limitado; el dispositivo gasta la mayor parte del tiempo en un modo de ahorro de energía,
también conocido como modo sleep. Como resultado, los dispositivos ZigBee son
capaces de permanecer operativos por muchos años antes que sus baterías necesiten
ser reemplazadas.
4
El texto de este capítulo es tomado de: S. Farahani, ZigBee Wireless Networks and Transceivers. Elsevier
Science, 2011.
29
El estándar ZigBee es desarrollado por la ZigBee Alliance (46), conformada por cientos de
compañías, desde la industria de semiconductores y desarrolladores de software hasta
OEM's (Original Equipment Manufacturers) e instaladores. La ZigBee Alliance se formó en
el 2002 como una organización sin ánimo de lucro abierta a cualquiera que quisiera ser
miembro. El estándar ZigBee ha adoptado los protocolos de Capa Física (PHY) y Control
de Acceso al Medio (MAC) del estándar IEEE 802.15.4. Aun así, un dispositivo compatible
ZigBee es a su vez un dispositivo compatible con IEEE 802.15.4.
El concepto de usar comunicaciones inalámbricas para recolectar información o
desarrollar ciertas tareas de control al interior de una casa o fábrica no es nuevo. Hay
muchos estándares para redes inalámbricas de corto alcance, incluyendo las redes de
área local inalámbricas IEEE 802.11 (WLAN) y Bluetooth. Cada uno de estos estándares
tiene sus propias ventajas en aplicaciones particulares. El estándar ZigBee está
específicamente orientado para aquellas necesidades de muy bajos costos de
implementación de redes inalámbricas con bajas tasas de datos y ultra bajos consumos
de potencia. El estándar ZigBee ayuda a reducir los costos de implementación
simplificando los protocolos de comunicación y reduciendo la tasa de datos. Los requisitos
mínimos para cumplir las especificaciones ZigBee e IEEE 802.15.4 son relativamente
simples comparación con otros estándares como IEEE 802.11, lo cual reduce la
complejidad y el costo de implementación de transceptores ZigBee compatibles.
Figura 7. Comparación del Estándar ZigBee con Bluetooth e IEEE 802.11b
Fuente: S. Farahani, ZigBee Wireless Networks and Transceivers. Elsevier Science, 2011.
30
4.1.3.1 Uso de baterías en nodos inalámbricos. (45)5 . La capacidad de una batería es
medida en miliamperios hora (mAh). Por ejemplo, si una batería tiene un capacidad de
250 mAh y provee una corriente promedio de 2 mA a una carga, en teoría, la batería
durará 125 horas. Realmente, sin embargo, la forma en que la batería es descargada
tiene un impacto en la vida real de la batería. Descargar una batería a las tasas
recomendadas por el fabricante normalmente ayuda a las baterías a entregar cerca de su
capacidad nominal. Pero el resultado no puede ser simplemente extrapolado linealmente
a otros perfiles de descarga.
En muchas redes inalámbricas de sensores, a pesar que el consumo promedio de
corriente de un dispositivo es bajo, la corriente instantánea puede ser alta. Por ejemplo en
la figura 8, un transceptor con una corriente en modo sleep de 1 μA y una corriente pico
en estado activo de 20 mA se reactiva cada 2 segundos y permanece activo por 5 ms. El
consumo promedio de corrientes es de apenas 50 μA, pero la corriente pico de 20 mA
puede tener un efecto adverso en la capacidad real de la batería, especialmente si no hay
suficiente tiempo entre periodos de alta capacidad de descarga para permitir a la batería
descansar y recuperarse.
Figura 8. Ejemplo de perfil de corriente de un dispositivo en una red ZigBee
Consumo instantáneo de corriente del dispositivo
Duración del Modo Activo
(en rango de milisegundos)
Duración del Modo Sleep
(desde segundos hasta horas)
Durante el modo sleep, la batería
tiene una oportunidad para recuperar
la capacidad perdida de la alta tasa
de descarga del modo activo
Tiempo
Fuente: Figura adaptada de: S. Farahani, ZigBee Wireless Networks and Transceivers.
Elsevier Science, 2011
5
El texto de este capítulo es tomado de: S. Farahani, ZigBee Wireless Networks and Transceivers. Elsevier
Science, 2011.
31
Esto puede ser explicado por el fenómeno de relajación (o efecto de recuperación) (47).
Cuando una batería es descargada a una alta tasa sostenida, la batería alcanza el final de
su vida útil aun cuando todavía quede material activo en la batería. Sin embargo, si la tasa
de descarga no es continua y hay periodos de muy baja corriente de consumo, la tasa de
transporte de los materiales activos se recupera del agotamiento del material, dando a la
batería una oportunidad de recuperar su capacidad perdida de las altas tasas de
descarga.
Una forma de evitar periodos de descarga de altas corrientes, si es posible, es la de usar
un condensador lo suficientemente grande para proveer corriente al transceptor cuando el
nodo está activo. Mientras que el dispositivo está en modo sleep, la batería carga el
condensador, y cuando el dispositivo entra en modo activo y requiere altas tasas de
descarga, este condensador proveerá corriente al dispositivo. De esta forma, la batería no
experimentará periodos con altas tasas de descarga y la eficiencia de la batería puede ser
mejorada.
6
Otro factor a tener en cuenta para el uso de las baterías es lo referente al modo de
almacenamiento de energía en la batería, el cual está relacionado con las características
de carga y descarga propias de cada tecnología existente (plomo-ácido, basadas en
Níquel, basadas en Litio, etc.). Como primer aspecto a tener en cuenta, se denota C como
la capacidad de la batería, que corresponde a la corriente de carga o descarga en
Amperios equivalente a la capacidad estimada en mAh (miliAmperios – hora). Se usan
múltiplos mayores o menores a C para expresar corrientes de mayor o menor magnitud.
Por ejemplo, el valor C es 600mA en el caso de una batería de 600 mAh, mientras que
valores de C/2 y 2C corresponden 300 mA 1.2 A respectivamente (48).
Se muestra en la figura 9 una gráfica de voltaje versus capacidad de descarga de una
batería tipo NiMH (Níquel – Hidruros de metal) a diferentes valores de C (49) . Cabe
anotar que esta tasa de descarga es uno de los factores que influye en la vida útil de la
batería, especificada en los ciclos de carga – descarga que es posible lograr a
determinadas condiciones. Se considera que, por ejemplo, para celdas de tipo NiMH se
6
En el presente numeral, lo descrito a partir de este párrafo es redacción del autor con las fuentes citadas
32
ha llegado al final de su vida útil si su capacidad cae por debajo de 80 %. Para ilustrar
esto de forma numérica, para una celda con un valor C de 2400 mAh, se puede
considerar que ha llegado al final de su vida útil cuando su capacidad está por debajo de
1920 mAh (50).
Figura 9.Curvas de descarga para celdas cilíndricas de NiMH
Fuente: «NiMH BATTERY FREQUENTLY ASKED QUESTIONS». [En línea]. Disponible
en: http://batteries.com.ne.kr/Battery/NiMH BATTERY FREQUENTLY ASKED
QUESTIONS.htm.
Dependiendo del tipo de batería, se pueden encontrar diversas maneras para lograr una
carga óptima, entre los que se encuentran métodos de carga lenta, rápida, por
ecualización, etc . Además, es necesario definir un “evento” que permita establecer el
momento en que la batería ha alcanzado su valor adecuado de carga, para lo cual es
necesario incluir en el circuito de carga elementos que permitan monitorear valores de
voltaje, tiempo, temperatura, entre otros (48,51), que son específicos para cada
tecnología.
33
Figura 10.Curvas de carga para celdas cilíndricas de NiMH
Fuente: «NiMH BATTERY FREQUENTLY ASKED QUESTIONS». [En línea]. Disponible
en: http://batteries.com.ne.kr/Battery/NiMH BATTERY FREQUENTLY ASKED
QUESTIONS.htm.
Para la figura 10 se toma de nuevo como ejemplo las curvas de carga para celdas
cilíndricas de NiMH a diferentes valores de C. Se considera una carga lenta (alrededor de
15 horas) si el valor de la corriente suministrada está alrededor de 0.1C , carga acelerada
(entre 4 y 5 horas) para un valor de corriente de 0.3C, y carga rápida (tiempo de carga
menor a 1 hora) para valores de corriente iguales o superiores a 1C (48,52) . Tanto para
las técnicas de carga rápida como para carga acelerada se emplea un control de carga
por temporizador, aunque para carga acelerada se monitorea la temperatura para algunas
aplicaciones; y en el caso de la carga rápida es necesario aplicar otras técnicas que
permitan tener un control más exhaustivo de variables como cambios de voltaje y
temperatura (52) .
4.1.3.2 El módulo ZigBee Xbee (53) 7. La misión destinada a los ZigBee es la de cortar
los tradicionales cables entre sensores, dispositivos esclavos tradicionalmente cableados
y los microcontroladores y microprocesadores a los que sirven. Así, si ZigBee emula un
cable, lo que ingresa debe salir sin ningún cambio significativo. A diferencia de los
7
El texto de este capítulo es tomado de: F. Eady, Hands-On ZigBee: Implementing 802.15.4 with
Microcontrollers. Elsevier Science, 2010.
34
transceptores compatibles con IEEE que se basan en la interfaz serial en SPI , los
módulos ZigBee Xbee emplean una interfaz UART, la cual le permite a cualquier
microcontrolador o microprocesador usar inmediatamente los servicios del protocolo
ZigBee. Todo lo que tiene que hacer el diseñador de hardware en este caso es
asegurarse que los niveles lógicos del puerto del equipo anfitrión sean compatibles con
los niveles lógicos Xbee de 2,8 – 3,4 V. La conversión de los niveles lógicos se puede
realizar usando ya sea un circuito integrado RS232 estándar o con un convertidor de
niveles lógicos como el 74LVTH125 o 74HC125 cuando el anfitrión es conectado
directamente a la UART del Xbee. Es de notar que no es necesario que el
microcontrolador posea un UART embebido. Esto es debido a que es un asunto simple
emular un firmware UART básico. De hecho, el compilador CCS de lenguaje C tiene
incorporado la emulación de UART dirigido a microcontroladores PIC de Microchip.
Una vista simplificada del interior del Xbee se muestra en la figura 11. El flujo de datos
entrante a través del pin DIN es almacenado en el buffer DIN hasta que pueda ser
transmitido. Como programador y generador de comandos se tiene la opción de enviar
caracteres mientras entra en el pin DIN o almacenar un número de caracteres para
enviarlos como un paquete.
Figura 11. Esquema interno del módulo ZigBee Xbee
Fuente: F. Eady, Hands-On ZigBee: Implementing 802.15.4 with Microcontrollers. Elsevier
Science, 2010.
Cuando el módulo Xbee no está enviando caracteres, puede descansar en modo idle,
entrar en modo recepción, procesar un comando o entrar en modo sleep. El modo de
35
operación por defecto es denominado Modo Transparente. En este modo el módulo Xbee
simplemente actúa como reemplazo de una linea serial. Todos los datos que pasan por el
pin DI entran en cola para la transmisión de RF y todos los datos entrantes de RF son
sacados del Xbee a través del pin DO.
4.2 MARCO REFERENCIAL (ANTECEDENTES)
4.2.1 Circuitos para múltiples fuentes de entrada. La base principal para el planteamiento
del presente proyecto es el artículo «A Multiple-put Boost Converter for Low-Power Energy
Harvesting»(35) en donde el autor realiza una evaluación de la eficiencia en el
seguimiento del punto de máxima potencia para un circuito “boost” de múltiples entradas
tomando energía de una celda fotovoltaica y un generador termoeléctrico. Este desarrollo
se utilizará en el presente proyecto como referente para evaluar la autonomía de un nodo
inalámbrico tipo ZigBee haciendo uso de este tipo de circuito de múltiples entradas.
Figura 12. Convertidor Boost de múltiples entradas
Fuente: C. Shi, B. Miller, K. Mayaram, y T. Fiez, «A Multiple-Input Boost Converter for
Low-Power Energy Harvesting», Circuits and Systems II: Express Briefs, IEEE
Transactions on, vol. 58, n.o 12, pp. 827 -831, dic. 2011.
En el circuito de la figura 12, para K fuentes de entradas son necesarios K+1
conmutadores de potencia, una única bobina y un único diodo. En la figura 12, los
conmutadores S1 a SWK aíslan las K fuentes de entrada para evitar interacciones. Este
36
convertidor opera de forma conmutada en el tiempo, en donde para las K fuentes de
entrada se activan secuencialmente S1 a SK, provocando de esta forma una operación en
K-fases. La figura 13 ilustra en un diagrama de tiempos la operación multiplexada del
convertidor.
Figura 13. Operación multiplexada en tiempo del convertidor propuesto para K fuentes de
entrada
Fuente: C. Shi, B. Miller, K. Mayaram, y T. Fiez, «A Multiple-Input Boost Converter for LowPower Energy Harvesting», Circuits and Systems II: Express Briefs, IEEE Transactions on,
vol. 58, n.o 12, pp. 827 -831, dic. 2011.
Se define un "ciclo de transferencia de energía" como el periodo de tiempo desde el inicio
de la fase 1 hasta el final de la fase K, denotada como T en la figura 13. Tanto tPH_i (tiempo
de duración de la i-esima fase) como ti (tiempo activo de SWi) son múltiplos del periodo de
reloj principal TCLK. Estos pueden ser expresados como:
t ( PH ) =N ( PH )∗T CLK
i
i
37
(18)
t i =N i∗T CLK
(19)
Donde NPH_i y Ni son enteros ≥ 1, y representan el número de pulsos T CLK de la i-ésima
fase y el número de pulsos en los cuales la i-ésima fase está conectada al circuito boost
(ti), respectivamente. T es la suma de la duración de los tiempos de todas las K fases, y
NT el número de pulsos totales de las K fases.
T=t ( PH ) +t ( PH )+⋯+t ( PH ) =N T ∗T CLK
1
2
K
(20)
Es de notar que TCLK , NPH_i ,Ni, y NT son parámetros que determinan el desempeño en la
entrega de potencia del convertidor8.
Figura 14.Ciclo de transferencia de energía. (a) Ciclo N1. (b) Ciclo N2
En la figura 14 se ilustra un ciclo de transferencia de energía completo para los dos
captadores usados en el proyecto. En la figura 14(a) el interruptor SW1 permanece
cerrado durante el tiempo t1 permitiendo el paso de corriente desde el generador
termoeléctrico y su condensador asociado CIN-1 hacia el circuito boost, mientras el
condensador CIN-2 es cargado al voltaje de la celda fotovoltaica dado que el interruptor
SW2 se encuentra abierto. Luego de esto, en el tiempo t 2 (figura 14(b)) la energía
almacenada durante t1 en el condensador CIN-2 y la que aporta la celda fotovoltaica pasa a
8 El texto es traducción que el autor hace del artículo: " A Multiple-Input Boost Converter for Low-Power
Energy Harvesting", citado previamente.
38
través de SW2 al circuito boost, permitiendo que en este mismo tiempo se cargue el
condensador asociado al generador termoeléctrico (SW1 abierto) para entregar energía
en el siguiente ciclo. De esta forma, el inductor L y el diodo D pueden ser compartidos
para diferentes fuentes de entrada.
Aparte del mencionado artículo, en «Energy Harvesting From Hybrid Indoor Ambient Light
and Thermal Energy Sources for Enhanced Performance of Wireless Sensor Nodes» (36)
se describe un sistema en donde también se hace uso de una fuente fotovoltaica y otra
termo-eléctrica para la captura de energía, el cual de muestra en la figura 15.
Figura 15. Convertidor de múltiples entradas tipo “Parallel Hybrid Energy
Harvesting”
Fuente: Y. K. Tan y S. K. Panda, «Energy Harvesting From Hybrid Indoor Ambient
Light and Thermal Energy Sources for Enhanced Performance of Wireless Sensor
Nodes», Industrial Electronics, IEEE Transactions on, vol. 58, n.o 9, pp. 4424 -4435,
sep. 2011.
La diferencia con la propuesta del convertidor boost de múltiples entradas multiplexadas
es que en el convertidor de la figura 15 se usa una configuración de circuito denominada
“Parallel Hybrid Energy Harvesting” o PHEH (29), en donde la corriente generada por la
celda fotovoltaica y el generador termoeléctrico se combinan en un solo nodo. Para la
regulación de la corriente entregada por las dos fuentes se hace uso de un sistema de
regulación tipo boost similar al usado por Shi y otros, y la carga utilizada corresponde a un
sensor inalámbrico TI - CC2500.
La razón principal para la elección en este proyecto del esquema multiplexado en lugar
del PHEH para el control de la energía entregada por los transductores es la conveniencia
de aislar una u otra fuente para aplicar un algoritmo de control a cada fuente por
39
separado. Esto implica que tanto la caracterización de las fuentes como el desarrollo de
los algoritmos de control puede hacerse de forma independiente para luego unir los
circuitos de cada una de las fuentes en un prototipo funcional.
4.2.2
Energy Harvesting y nodos inalámbricos. Uno de los aportes principales del
presente trabajo es el de evaluar el esquema de conversión de energía propuesto con una
carga que varía su nivel de consumo en todo el tiempo (carga activa), a diferencia del
artículo de Shi. y otros en donde se usa una resistencia como carga eléctrica de todo el
sistema propuesto. Como carga activa se estableció el uso de un nodo inalámbrico,
buscando que las resultados del presente trabajo generara un aporte conceptual para
futuros desarrollos en la temática de Sistemas Autónomos de Energía (EAS por sus siglas
en ingles - Energy Autonomous Systems (34))
Al respecto, fueron consultados artículos y trabajos en donde fueron mencionados el uso
combinado de la técnica energy harvesting/ scavenging con nodos sensores inalámbricos,
encontrando diversas aplicaciones en donde es posible discriminar dos estrategias para
optimizar el uso o disponibilidad de la energía. Como primera estrategia, en algunos
artículos se centra la atención en mejorar la estrategia de comunicación entre los
diferentes nodos que conforman la red de nodos – sensores inalámbricos (21,54–57), de
modo que se consuma una mínima cantidad de la energía disponible para que pueda
estar disponible por un periodo de tiempo más prolongado. Este método implica el
desarrollo de algoritmos para transmitir datos únicamente cuando la energía este
completamente disponible (55), definiendo “slots” o espacios de tiempo en los cuales
fuera mas conveniente entregar información a otros nodos (21), pronosticando el
momento en el cual se puede transmitir – recibir datos (56).
La segunda estrategia consultada consiste en aumentar la cantidad de energía con la que
puede contar el nodo sensor para desarrollar sus tareas típicas como transmisión y
recepción de datos, procesamiento interno, interfaz con otros dispositivos del mismo
circuito, entre otras. Al consultar en diversos artículos se ha encontrado que hay dos
manera de alcanzar este objetivo: la primera consiste en usar métodos novedosos para el
almacenamiento de la energía captada, ya sea por nuevas tecnología de baterías (58),
uso de supercapacitores (59), o por una combinación de estos dos elementos (32,33). Por
40
otra parte, una segunda forma es maximizar la energía disponible por el nodo mediante
técnicas de optimización o por la combinación de diferentes tipos de captadores de
energía, el cual constituye el enfoque del presente proyecto.
En cuanto a las tecnologías de nodos inalámbricos disponibles están disponibles
comercialmente una gran variedad de fabricantes y características de funcionamiento. En
la tabla 1 se listan algunas de las tecnologías inalámbricas más reconocidas, teniendo en
cuenta algunos aspectos técnicos que permiten comparar la cantidad de energía
empleada para la transmisión de información (10) .
Tabla 1. Comparación de diferentes tecnologías inalámbricas
ANT
Bluetooth
de baja
enegía
IrDA
Nike+
Wi-Fi
ZigBee
Throughput
~20 kbps ~305 kbps
~1 Gbps ~272 bps ~6 Mbps ~100 kbps
Consumo (mW)
0,183
0,147
0,163
0,675
210
35,7
0,71
0,153
11,7
2,48
0,005
185,9
Potencia
(μW/bit)
por
bit
Fuente: J. Gilbert y F. Balouchi, «Comparison of energy harvesting systems for wireless
sensor networks», Int. J. Autom. Comput., vol. 5, n.o 4, pp. 334-347, 2008.
Tomando como base de la tabla 1, sería fácil escoger los dispositivos Bluetooth de baja
energía como dispositivo a implementar teniendo en cuenta su bajo consumo (0,147 mW),
pero al igual que ANT tiene el inconveniente de ser una tecnología propietaria 9 con sus
correspondientes problemas tanto de complejidad como de uso de licencias en el
desarrollo de aplicaciones. De las restantes, IrDA y Nike+ no pueden ser usadas en redes
de sensores con múltiples topologías, el consumo de la tecnología Wi-Fi no la hace apta
para ser usada en nodos inalámbricos que operen de forma autónoma, dejando a ZigBee
como la elección para el presente proyecto a pesar de tener un consumo relativamente
alto de energía.
Con respecto a la tecnología ZigBee cabe resaltar que aparte de las ventajas para su
implementación, estos dispositivos presentan otras como son su fácil consecución en el
9
Tecnología propietaria: es aquella que es única y legalmente poseída por una empresa. Puede estar
integrada a un producto o servicio o puede ser usada en la producción de un producto o servicio.
(Traducción del autor tomada de definitions.uslegal.com (60))
41
mercado local, su amplia documentación en internet y la existencia de artículos en donde
ya se han utilizado esta clase de dispositivos en aplicaciones de la tecnología energy
harvesting / scavenging (10,33,61,62).
42
5. DISEÑO DEL PROTOTIPO DE PRUEBAS
Gran parte del desarrollo del presente trabajo se centró en la construcción del prototipo de
pruebas, ya que no se encontró al momento de plantear el anteproyecto algún producto
comercial con las características funcionales requeridas para llevar a cabo la etapa
experimental.
Figura 16.Diagrama de bloques del sistema implementado
A grandes rasgos el diseño, construcción y pruebas del prototipo buscaba crear un
sistema funcional como lo que se muestra en la figura 16. El procedimiento para llegar a
dicho resultado consistió inicialmente en caracterizar tanto el generador termoeléctrico
como la celda fotovoltaica en los montajes creados para tal fin, estableciendo de esta
forma sus curvas de potencia y otras características como puntos de máxima potencia e
impedancias en dichos puntos. Posteriormente, se usó la información obtenida de la
caracterización de los captadores de energía en el diseño, construcción y pruebas en
etapas de control, potencia, y comunicaciones ZigBee, permitiendo de esta forma crear
bloques independientes que se unirían en un prototipo final. En los siguientes numerales
se describirán los procedimientos llevados a cabo y los resultados obtenidos que
permitieron lograr el desarrollo del sistema de pruebas.
43
5.1 CARACTERIZACIÓN DE CAPTADORES DE ENERGÍA
Se buscaba con la caracterización de los captadores de energía obtener las curvas de
potencia del generador termoeléctrico y de la celda fotovoltaica, con el fin de utilizar dicha
información como parámetros de diseño para la creación de los circuitos de control y
potencia que serán descritos más adelante. Lo que se buscaba era obtener los modelos
equivalentes Thévenin (38) de los dos captadores de energía, para lo cual se empleó el
circuito de la figura 17.
Figura 17.Circuito para obtención de curvas de potencia
En el circuito de la figura 17 la fuente de voltaje V y la resistencia R representan el
equivalente Thevenin de cada uno de los captadores de energía a un delta de
temperatura (para el generador termoeléctrico) o nivel de iluminación (para la celda
fotovoltaica) determinados. Los elementos etiquetados como AM1 y VM1 representan el
amperímetro y el voltímetro usados para medir la corriente y el voltaje en la carga R C . El
procedimiento consistió en variar la resistencia R C de forma que se obtuvieran diferentes
valores de corriente y voltaje en un rango tal que se pudiera apreciar un máximo en la
potencia, la cual se obtenía multiplicando la corriente por el voltaje medidos en cada
variación de la resistencia de carga.
5.1.1
Generador
termoeléctrico.
La
elección
del
generador
termoeléctrico
fue
condicionada inicialmente por la baja cantidad de proveedores a los que se podía recurrir
para adquirir dicho dispositivo, dado que en búsquedas de proveedores en internet
(localmente no fue posible adquirirlos) son escasos los resultados de fabricantes de
44
generadores termoeléctricos. Para reducir su tiempo de adquisición se eligieron los
proveedores que tuvieran despachos en Estados Unidos, descartando de esta forma a
Asia y Europa como fuentes de búsqueda. De esta forma fue escogido el proveedor
Tellurex, del cual se eligió la referencia G2-30-0313 teniendo en cuenta sus dimensiones y
voltaje máximo generado de 4.3 V.
Figura 18. Montaje para generador termoeléctrico. a) 1: TEG, 2: Marco plástico para
TEG, 3: Celda Peltier en marco plástico, 4: Sondas de termómetro digital UNIT-T UT325,
5: Disipador de computador, 6: Separadores de aluminio; b) Ensamble final
Generador
termoeléctrico
4
2
3
5
6
1
Celda peltier
Separadores
de aluminio
6
a)
b)
Con el propósito de controlar las condiciones de prueba para el TEG, se desarrolló un
montaje como el de la figura 18. Se tuvo en cuenta que pudieran variarse la temperatura
de forma controlada en la cara “caliente” (de alta temperatura) en el generador
termoeléctrico usando a su vez la temperatura ambiental como la baja temperatura de la
cara “fria” del mismo, con el propósito de reducir las variables a controlar en el montaje y
de esta forma simplificar el desarrollo de los experimentos correspondientes.
Como elemento calefactor fue usada una celda Peltier referencia CP60440 del fabricante
V-Infinity, buscando con esto que el experimento no fuera afectado por gradientes de
temperatura en la superficie del generador termoeléctrico. Para la superficie “fría” del
generador termoeléctrico fue utilizado un bloque de aluminio de los usados como
disipador de calor en procesadores de computador, teniendo en cuenta que si la
resistencia térmica del disipador es menor a la del TEG, una mayor proporción del ΔT
entre la superficie “caliente” y el ambiente estará presente en el generador termoeléctrico,
45
incrementando de esta forma la eficiencia en el montaje (63). El instrumento de medición
usado es el termómetro digital de doble sonda de temperatura
UNI-T UT325, cuyas
sondas fueron dispuestas de forma que estuvieran en contacto directo con cada una de
las caras del generador termoeléctrico.
Teniendo en cuenta lo desarrollado en el artículo “A Multiple-Input Boost Converter for
Low-Power Energy Harvesting”, se desarrollaron mediciones de autonomía con deltas de
temperatura de 4ºC, 6ºC, 9ºC, 12ºC y 15ºC, cuya justificación se encuentra en el mismo
artículo.
Figura 19. Curvas de potencia para el generador termoeléctrico TEG G2-35-0315
La figura 19 muestra las curvas de potencia para los deltas de temperatura definidos.
Complementario a la figura 19 se presenta en la tabla 2 los valores obtenidos en los
puntos de máxima potencia, para lo cual se midió la corriente con un multímetro digital
UNI-T UT71B y el voltaje con un multímetro TECH TM-135.
46
Tabla 2. Valores de voltaje, corriente, potencia y resistencia en los puntos de máxima
potencia para el generador termoeléctrico TEG G2-35-0315
Delta de
V (mV) I (μA)
temperaturas
P (μW)
4ºC
90
179,02
16,1118 502,7371
6ºC
140
270,6
37,884
517,3688
9ºC
230
434,3
99,889
529,5878
12ºC
310
590,2
182,962 525,2457
15ºC
410
718,4
294,544 570,7127
R (Ω)
5.1.2 Celda fotovoltaica. De la misma forma que con el generador termoeléctrico, fue
desarrollado para este proyecto un montaje que permitiera controlar el nivel de
iluminación sobre la celda fotovoltaica de referencia SLMD121H10L, la cual fue escogida
teniendo en cuenta su amplio rango de sensibilidad espectral (desde 300nm a 1100 nm),
haciéndola adecuada para aplicaciones tanto en exteriores como en interiores.
Figura 20.Eficiencia cuántica (EQE) vs. longitud de onda para la celda solar
SLMD121H10L
Fuente: «IXOLARTM High Efficiency SolarBIT & SolarMD», Technology. [En línea].
Disponible en: http://ixapps.ixys.com/PartDetails.aspx?pid=8285&r=1.
47
La figura 20 muestra la eficiencia de conversión en porcentaje vs. la longitud de onda en
nanómetros para la celda fotovoltaica en cuestión (64). Esta eficiencia de conversión
(EQE por sus siglas en inglés External Quantum Efficiency) es la relación entre el número
de portadores recolectados por la celda solar y el número de fotones de cierta energía
incidentes en la celda solar. En otras palabras, si todos los fotones de cierta longitud de
onda son absorbidos y los portadores minoritarios resultantes son recolectados, la
eficiencia cuántica a esa longitud de onda particular es la unidad (o 100%) (65).
Se tuvo en cuenta, además, que las condiciones de experimentación fueran tanto
compatibles con la celda fotovoltaica como con las condiciones propias de la iluminación
en interiores (20,35,36,66). Para cumplir estas dos condiciones se escogió como
elemento
de
iluminación
en
el
montaje
un
diodo
led
referencia
720-
LUWCQARMTNPJPJQ1 el cual tiene una temperatura de color de 5700 Kelvin, cercana a
los 5770 Kelvin de la temperatura de color del sol (67). La emisión espectral relativa se
muestra en la figura 21 (68), en donde es comparado el espectro de emisión del diodo led
(línea continua) con la curva estándar de respuesta del ojo humano (línea discontinua),
mostrando además que este espectro de emisión está dentro del rango de sensibilidad
espectral correspondiente para la celda fotovoltaica.
Figura 21.Espectro de emisión relativo para el diodo led LUW CQAR-MTNP-JPJR-1
Fuente: «OSLON® Square | LEDs for General... | OSRAM Opto Semiconductors». [En
línea]. Disponible en: http://www.osram-os.com/osram_os/en/products/productcatalog/leds-for-general-lighting/oslon-square/index.jsp.
48
Adicionalmente, en el montaje se ubicó una pantalla de acrílico entre los leds y la celda
fotovoltaica para crear un ambiente de iluminación difusa similar a la que se encuentra al
interior de oficinas, casas, u otros ambientes iluminados artificialmente.
Para poder medir el nivel de iluminación al interior del montaje de pruebas para la celda
fotovoltaica fue utilizado un luxómetro MINIPA MLM-1011. En la figura 22 se muestra el
montaje utilizado para realizar las pruebas fotovoltaicas teniendo en cuenta las anteriores
consideraciones.
Figura 22. Montaje para celda fotovoltaica. a) 1: Luxómetro, 2: Sensor del luxómetro, 3:
Celda fotovoltaica, 4: Sensor de comprobación; b) Ensamble final
1
2
4
Circuito impreso
para iluminación
3
Pantalla de
acrílico
a)
b)
Se tuvo en cuenta para la caracterización de la celda fotovoltaica el procedimiento
descrito en el artículo “A Multiple-Input Boost Converter for Low-Power Energy
Harvesting”, tomando datos a niveles de iluminación de 300 lux, 500 lux, 800 lux, 1000
lux, 1470 lux y 1500 lux. La figura 23 muestra las curvas de potencia vs. voltaje de la
celda fotovoltaica escogida para el proyecto, y de la misma forma que con el generador
termoeléctrico, se presenta en la tabla 3 el resumen de los valores que corresponden a
los puntos de máxima potencia en cada uno de los niveles de iluminación definidos. De
las curvas mostradas en la figura 23, se obtuvieron valores muy similares para los valores
de iluminación 1470 lx y 1500 lx, pero para el resto fue posible obtener comportamientos
con diferencias fácilmente identificables.
49
Figura 23. Curvas de potencia para la celda fotovoltaica SLMD121H10L
Tabla 3. Valores de voltaje, corriente, potencia y resistencia en los puntos de máxima
potencia para la celda fotovoltaica SLMD121H10L
Nivel de
iluminación (lx)
V (V)
I (μA)
P (μW)
R (Ω)
300
1,3
25,17
32,721 51648,79
500
1,55
42,84
66,402 36181,14
800
1,85
65,18 120,583 28382,94
1000
1,9
87,15 165,585 21801,49
1470
2,45
114,12 279,594 21468,63
1500
2,35
119,46 280,731 19671,86
Luego de caracterizada la celda fotovoltaica respecto a sus valores de máxima potencia,
puede observarse de la tabla 3 que la resistencia interna tiene un valor relativamente alto
(entre 51,6 KΩ y 19.6 KΩ) en comparación con las obtenidas en la tabla 2 para el
generador termoeléctrico (entre 502 Ω y 570 Ω), lo cual será un aspecto que más adelante
influirá en el diseño del prototipo de pruebas. De la misma forma, este valor de resistencia
interna es inversamente proporcional al nivel de iluminación, lo cual es explicado por las
características del modelo equivalente para una celda fotovoltaica (69–74) .
50
5.2 DISEÑO DE CIRCUITOS
5.2.1 Etapa de control. El elemento central para el desarrollo de la etapa de control es el
microcontrolador, el cual desarrolla las funciones de adquisición de datos, procesamiento,
generación de señales, así como la comunicación y control del dispositivo ZigBee.
Teniendo en cuenta la experiencia previa del autor y su facilidad de adquisición en el
mercado local se optó por la marca Microchip para el desarrollo del prototipo, tomando
como criterios de decisión los siguientes:
•
Arquitectura de 8 bits.
•
Encapsulado DIP (pines) para facilitar su montaje en la board de prototipos.
•
Cantidad de pines: 40. Esto con el fin de contar con la mayor cantidad de puertos
de entrada/salida en caso de ser necesarios durante el desarrollo.
•
Unidades funcionales mínimas: Conversores A/D, módulo de comunicación
USART, módulo PWM, puertos de entrada/salida digitales para conexión a display
LCD, temporizadores internos, posibilidad de ejecución de interrupciones, módulos
internos de captura y comparación.
•
No se contempla el uso de unidades funcionales como otros puertos de
comunicación USB, Ethernet, celdas lógicas configurables, entre otros.
Definido lo anterior, se procedió a establecer las conexiones entre el microcontrolador y
otros elementos del circuito de acuerdo a la figura 24, explicando a continuación la
funcionalidad de cada una:
51
Figura 24.Diagrama esquemático del circuito de control
•
Conexión con display LCD (RA0-RA3, RE1, RE2) : Permiten visualizar datos y
variables resultado de las distintas operaciones desarrolladas al interior del
microcontrolador. Su operación no está contemplada en el prototipo final, ya que la
energía consumida por este elemento sería necesario para alimentar otros
elementos en el prototipo.
•
Adquisición de señales por ADC (RA5, RE0, RB1, RB2): Estos pines del
microcontrolador le permiten adquirir señales de voltaje en los captadores
fotovoltaico y termoeléctrico. Para el cálculo de la potencia es necesario el uso de
sensores de corriente que serán explicados cuando se aborde la etapa de
potencia.
•
Descarga de firmware al microcontrolador (RB6, RB7): Son pines predefinidos que
permiten la descarga del código creado en el computador a la memoria interna del
microcontrolador.
52
•
Comunicación con el dispositivo ZigBee (RC6, RC7): Básicamente se trata de los
pines que sirven de interfaz para el protocolo UART, el cual está predeterminado
en el ZigBee como el protocolo de comunicación por defecto.
•
Control del dispositivo ZigBee (RC0, RC1, RD7): Para el presente proyecto, estos
pines permiten el control del flujo de datos por el puerto UART.
•
Pulsadores (RD0, RD1): Para la ejecución de algunos códigos de prueba, fueron
definidos dos pulsadores como interfaz con el usuario para que fuera posible dar
órdenes sencillas como iniciar rutinas de prueba, incrementar o decrementar
variables, entre otras.
•
Leds indicadores (R4, RD5): Estos elementos son indicadores luminosos que
permiten visualizar el estado de funcionamiento para algunas variables definidas
por el código de control.
•
Control de la parte de potencia (RC2, RD2, RD3): La función de estos pines es la
de enviar señales para conmutar los MOSFET que se encargan de conectar o
desconectar los transductores de energía y de conmutar el MOSFET que controla
la transferencia de potencia hacia la carga en el circuito boost.
Un aspecto importante en el desarrollo de la parte de control fue la elección del oscilador
principal para el microcontrolador, el cual es el que define la velocidad de procesamiento
del mismo. Para esto se recurrió al datasheet del microcontrolador PIC18LF4520,
encontrando que la frecuencia de operación era limitada por el voltaje de alimentación de
acuerdo a la figura 25.
53
Figura 25. Gráfica voltaje – frecuencia para PIC18LF2420/2520/4420/4520
Fuente: «PIC18F4520 - 8-bit PIC® Microcontrollers». [En línea]. Disponible en:
http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?dDocName=en010297.
[Accedido: 17-ene-2014].
Adicionalmente, en el mismo datasheet se define la relación entre el voltaje de operación
y la frecuencia máxima del oscilador como:
F max=(16,36 Mhz /V )(V DDAPPMIN −2,0V )+ 4 MHz
(21)
Siendo Fmax la frecuencia máxima del oscilador y V DDAPPMIN el voltaje mínimo de
alimentación para el microcontrolador, siendo este último valor los 3,3 V que es el mismo
que requiere el dispositivo ZigBee para su funcionamiento. El resultado de la ecuación
(21) con las condiciones descritas es de 25,268 MHz, para lo cual se escogió un valor
comercial para el cristal del oscilador principal de 20 Mhz.
Una parte importante de la etapa de control son los algoritmos desarrollados para cada
una de las funciones definidas en el prototipo. En el desarrollo de los códigos que luego
serían ejecutados en el microcontrolador fue utilizado el software MPLABX el cual es
creado por el mismo fabricante de los microcontroladores, garantizando así compatibilidad
en todo el proceso de creación y ejecución de códigos del prototipo. Se eligió el lenguaje
C con el compilador XC8 para la creación de algoritmos teniendo en cuenta su
simplicidad, amplia documentación, y facilidad para la detección y corrección de errores.
En el diagrama de flujo de la figura 26 se muestra la estructura general del código de
54
control desarrollado. En esta, se muestra a grandes rasgos los bloques funcionales que
constituyen toda la estructura del código, sin embargo, se hará énfasis en los detalles de
cada uno de estos bloques a medida que se explica el funcionamiento de las otras etapas
que componen el prototipo.
Por fuera de la función principal (bloque denominado main() en la figura 26) se encuentran
la subrutina de atención a interrupciones y las funciones auxiliares que se declaran y
desarrollan
como
subrutinas
independientes.
Las
funciones
auxiliares
creadas
corresponden a las que desarrollan lecturas del conversor ADC, retardos que no están
definidos en las librerías básicas del compilador XC8, y los algoritmos de prueba para la
trama de comunicación del dispositivo ZigBee.
Figura 26. Diagrama de flujo general del código de control
55
Se explica a continuación la configuración de algunos bloques funcionales usados en el
código de control.
•
Display LCD: Por medio de las librerias xlcd.h y xcldDef.h con su función asociada
xlcd.c se definió el puerto de datos en modo de 4 bits, 2 pines de control, 2 líneas
de datos de caracteres estándar.
•
Temporizadores: Se usaron los temporizadores propios del microcontrolador
Timer2 y Timer3, los cuales se encargan de suministrar la base de tiempos para el
PWM y la subrutina de interrupción respectivamente.
•
USART: Por medio de este módulo interno se desarrolla la comunicación entre el
microcontrolador y el módulo ZigBee. La configuración implementada para esta
comunicación es la siguiente:
•
Interrupciones de transmisión y recepción deshabilitadas.
•
Modo de transmisión de alta velocidad, 8 bits de datos, comunicación
asíncrona sin direccionamiento, recepción continua de datos.
•
Se definió una tasa de transmisión de 9600 baudios con el fin de asegurar
compatibilidad con la configuración por defecto del dispositivo ZigBee. Para
establecer la tasa de transmisión en baudios, se recurrió a la hoja de datos
del microcontrolador PIC18F4520, en donde se especifica que se debe
asignar un valor de 129 al registro SPBRG [32] para tal fin.
•
Conversores Análogo/Digital ADC: Están destinados a capturar el voltaje de los
captadores de energía y convertirlos en variables que puedan ser procesadas por
el microcontrolador. La configuración de este módulo es la siguiente:
•
La fuente de reloj para el muestreo es Fosc/2, es decir, la mitad de la
frecuencia del oscilador principal (20 MHz/2 = 10 MHz).
56
•
El tiempo de adquisición de cada muestra es el doble del periodo de la
fuente de reloj principal.
•
Resolución de 10 bits, la cual corresponde a la máxima resolución que
provee este módulo interno del microcontrolador.
•
Los voltajes de referencia corresponden a los voltajes de alimentación del
microcontrolador (VDD-VSS).
Para la adquisición de datos fueron definidos los canales ADC:
•
Canal 4 (AN4): Voltaje de la celda fotovoltaica.
•
Canal 5 (AN5): Corriente de la celda fotovoltaica.
•
Canal 8 (AN8): Voltaje del generador termoeléctrico
•
Canal 10 (AN10): Corriente del generador termoeléctrico.
Hay señales que se adquieren por los canales ADC que corresponden a las corrientes
entregadas por los captadores de energía. Esto es posible con un integrado sensor de
corriente, el cual entrega a su salida un voltaje proporcional a la corriente que se está
midiendo. Para el presente proyecto se escogió el circuito integrado INA283, el cual fue
proyectado para realizar pruebas de funcionamiento que requirieran adquirir tanto valores
de voltaje como de corriente con las cuales se pudieran realizar cálculos de potencia en el
microcontrolador.
Otro módulo interno del microcontrolador necesario en el presente proyecto es aquel que
provee la señal PWM usada en el control del convertidor tipo boost. Para definir los
valores de configuración de este módulo se tuvo en cuenta que la frecuencia de operación
del artículo de referencia (35) es de 38,1 kHz, para lo cual es necesario definir el valor
PR2 de acuerdo a la ecuación (22) especificada en el datasheet del microcontrolador (75):
57
PWM Period =[ PR 2+1] x 4 x T OSC x( TMR 2 Preescaler Value )
(22)
En la ecuación (22), PWMPERIOD es el periodo de tiempo en segundos de la señal PWM,
PR2 es el valor del registro interno que controla el periodo de la señal PWM, TOSC es el
periodo de oscilación principal del microcontrolador, y TMR2 Preescaler
Value
es el valor del
registro interno que tiene como propósito aumentar el periodo de la señal PWM en
proporción de 1, 4 o 16 veces el tiempo configurado del temporizador TMR2. El valor que
es necesario hallar de la ecuación (22) es PR2, que corresponde a un registro interno del
PIC18LF4520 que controla la frecuencia de oscilación del módulo PWM. Con un periodo
de oscilación Tosc = 1/ 20 Mhz =50 ns, un valor de preescaler para el Timer 2 de 1, y un
PWMPeriod = 1/ 38,1kHz = 26,25 μs, se obtiene que el valor buscado PR2 = 130,23 , el cual
es redondeado a 130 (82 en formato hexadecimal) dado que la función de configuración
del módulo PWM solo recibe valores enteros.
Como última consideración, se debe resaltar el hecho que en el caso de este proyecto no
fue necesario desarrollar algoritmos para el seguimiento del punto de máxima potencia o
MPPT (Maximum Power Point Tracking), dado que las condiciones experimentales de
iluminación (para la celda fotovoltaica) o delta de temperatura (para el generador
termoeléctrico) que se definirán en el capítulo 6.1.2 , son mantenidas constantes durante
el desarrollo de cada una de los experimentos.
El bloque definido en el diagrama de flujo de la figura 26 como “Subrutina de atención a
interrupciones” hace referencia a la subrutina para controlar la conmutación entre los
captadores de energía, la cual será explicada junto con la descripción de las pruebas
combinadas entre el generador termoeléctrico y la celda fotovoltaica en el capítulo 6.1.3 .
5.2.2
Etapa de potencia De acuerdo al artículo usado como referencia (35) para el
presente proyecto, es necesario desarrollar un circuito como el mostrado en la figura 27,
el cual hace posible controlar la potencia entregada por los captadores termoeléctrico y
fotovoltaico. Para esto, se tomaron en cuenta tanto criterios del artículo “A multiple-input
boost converter for Low-power Energy Harvesting” como las características de
funcionamiento especificadas por los fabricantes de los componentes eléctricos y
electrónicos usados para implementar este circuito. Esto último se hizo necesario
58
teniendo en cuenta que en ocasiones no fue posible contar con los componentes de las
mismas referencias de la figura 27.
Figura 27. Esquema de circuito boost de múltiples entradas usado como referencia.
Fuente: C. Shi, B. Miller, K. Mayaram, y T. Fiez, «A Multiple-Input Boost Converter
for Low-Power Energy Harvesting», Circuits Syst. II Express Briefs IEEE Trans. On,
vol. 58, n.o 12, pp. 827 -831, dic. 2011.
Inicialmente, se prestó atención al diseño del circuito boost, el cual esta conformado por la
bobina L, el MOSFET SN0 y el diodo D. La función principal de este circuito es la de
elevar el voltaje procedente de los captadores de energía a niveles que sean adecuados a
la aplicación particular, que en este caso es la de entregar pulsos de corriente a la batería
principal, que está representada por la fuente de voltaje a la izquierda de la figura 27.
Para establecer el valor de la bobina debe retomarse la ecuación (11) que define la
resistencia emulada, pero teniendo en cuenta que se realiza una operación multiplexada
de SW1 y SW2 en los tiempos N 1 y N2 respectivamente. La resistencia emulada por el
convertidor boost de dos entradas quedaría como (35):
Rem =
8 · L NT
·
T CLK N 1
(23)
En la ecuación (23) en cociente entre N T y N1 representan la cantidad de tiempo en que la
fase 1 (generador termoeléctrico) está entregando energía al circuito boost a través de de
SW1 en la figura 27 con respecto al tiempo total de un ciclo completo de transferencia de
59
energía. Derivadas de la ecuación (23), las ecuaciones (24) y (25) establecen los casos
en que puede obtenerse una máxima o mínima resistencia emulada.
Rem , max=
8LN T
T CLK
(24)
Rem , min=
8LK
T CLK
(25)
Los valores Rem,max y Rem,min corresponden a las resistencias máxima y mínima emuladas
por el circuito boost, L es la inductancia, NT es el número total de pulsos de las K fases, y
TCLK es el periodo de cada pulso. De las anteriores, la ecuación (25) se utiliza para hallar
la inductancia del circuito de potencia dado que es la única incógnita al conocerse el valor
de la resistencia mínima emulada que corresponde a la del generador termoeléctrico a un
delta de temperatura de 4ºC, el periodo del reloj que corresponde a 25,26 μs para una
frecuencia de 38,1kHz descrita en el artículo de referencia (35), y K que corresponde al
número de fases (2 en este caso). Al desarrollar se obtiene:
L=
(Rem ,min ) x (T CLK ) (502.7Ω) x (26,25 μ s)
=
=824,63μ H
8xK
(2) x (8)
(26)
Para el desarrollo de la ecuación (24) se tuvo en cuenta que para el artículo tomado como
referencia (35) el valor de NT es de 2048, lo que resulta en una inductancia de:
L=
( R(em , max) ) x (T CLK ) (51648 Ω) x(26,25μ s)
=
=82,7μ H
(8 X N T )
(8) x (2048)
(27)
De acuerdo al procedimiento del artículo de referencia, y tomando los resultados de las
ecuaciones (21) y (22) se obtiene un rango de inductancias entre 82,7 μH y 824,63 μH
correspondientes a los valores de resistencia emuladas máxima y mínima, siendo el valor
medio de estas inductancias 453,6 μH. Al consultar valores comerciales se encontró que
los valores más aproximados eran de 390 μH y 470 μH, siendo este último el más cercano
a las estimaciones hechas. Se seleccionó una bobina referencia 1447440C del proveedor
Murata Power Solutions teniendo como criterios adicionales su valor de resistencia interna
de 125 mΩ y su frecuencia de resonancia de 50 kHz, que es cercana a la frecuencia de
60
operación del circuito boost.
Con respecto al MOSFET SN0 de referencia BSH103 se buscó un reemplazo que fuera
más conveniente en su montaje y consecución, por lo que se optó por la referencia
APM2054, la cual tiene una resistencia RDS-ON de entre 45 mΩ y 54 mΩ a un voltaje de
conmutación VGS de 4,5 V.
Por último, el diodo rectificador BAT46 fue reemplazado por la referencia BAT85, el cual
también es un diodo tipo Schottky pero se especifica su tiempo de recuperación (4 ns) y
permite un mayor paso de corriente (150 mA para el BAT 46 y 200 mA para el BAT85).
Ahora bien, para el caso de los MOSFET SN1 y SN2 se tuvieron en cuenta criterios
similares a los usados para la elección de SN0, pero con la diferencia que se buscó una
referencia con la menor cantidad de resistencia RDS-ON disponible. Fue posible adquirir la
referencia FDD6688 de Fairchild Semiconductor® la cual posee una resistencia VGS de 6
mΩ a 4,5 v.
Figura 28.Diagrama esquemático de la etapa de potencia
61
El resultado del circuito de potencia se muestra en la figura 28, en la cual los MOSFETS
Q1 y Q2 corresponden a las referencias FDD6688 y Q3 a la referencia APM2054. Un
aspecto que no está contemplado en el circuito original del artículo de referencia (figura
27) es lo relacionado con los drivers o circuitos integrados que se encargan de controlar el
voltaje de activación de los MOSFETS o VGS. Dichos drivers son elementos muy
importantes para la conmutación de estos transistores, teniendo en cuenta que el valor de
VGS (voltaje compuerta-fuente) es el que determina la cantidad de corriente que puede
pasar a través del MOSFET. Además, para poder conmutar Q1 y Q2 se debe tener en
cuenta que el pin SOURCE (fuente) no está directamente conectado a GND (tierra o nodo
de referencia del circuito), situación que es denominada como MOSFET flotante o
MOSFET del lado de alta (del término en ingles High Side), para lo que es necesario tener
un circuito especial que realice la conmutación respectiva.
Se escogió la referencia MIC5014 como drivers para los MOSFET flotantes teniendo en
cuenta que puede operar desde voltajes de 2,4 V , y para Q3 (APM2054) el circuito
integrado ISR4427 teniendo en cuenta que posee una velocidad de conmutación mayor al
MIC5014 pero debe ser alimentado con un voltaje mayor a 6 V. Con respecto a este último
aspecto, fue necesario la adición del circuito integrado ICL7660 para elevar el nivel de
voltaje de 3,3 V a los 6 voltios necesarios para el funcionamiento del driver para MOSFET
IRS4427.
Un aspecto a resaltar es lo referente al condensador C7 de la figura 28. Originalmente
aparece en el artículo usado como referencia (35) con un valor de 1 mF, pero se cambió
en el prototipo por un valor de 10 μF debido a que la resistencia interna de la celda
fotovoltaica escogida tiene un rango de entre 19 kΩ y 51 kΩ, a diferencia de la “Solar
Cell” de la figura 27 que tenía un valor de impedancia interna entre 176 Ω y 552 Ω (35) .
Para llegar a este valor de condensador, se estimó un valor de contante de carga del
condensador C7 como:
τ=RTH ∗C=552 Ω∗1mF =552 ms
(28)
En donde RTH es la mayor resistencia Thevenin de la celda solar usada del artículo de
referencia (35), y C es el capacitor usado en el mismo artículo (figura 27). Conociendo la
constante de carga y reemplazando el valor RTH por la resistencia media de la celda
62
fotovoltaica usada en el presente proyecto se obtuvo:
522 ms
C= τ =
=10,26μ F≈10μ F
RTH 51,65 k Ω
(29)
Por último, la corriente que es generada por la etapa de potencia es transferida al resto
del circuito por medio del diodo D4 que es de la misma referencia BAT85 usada en el
convertidor tipo boost. Para entender su función, es necesario tener en cuenta que el
propósito de la etapa de potencia es la de elevar el voltaje entregado por cada uno de los
captadores de energía (fotovoltaico o termoeléctrico) y almacenarlo en el capacitor C14
de la figura 28. Cuando se inicia el funcionamiento, el voltaje VDD es mucho mayor que el
presente en el condensador C14 que acumula la tensión generada por el circuito boost. Al
cumplirse la condición de que en el condensador C14 se acumule una tensión superior al
voltaje de la batería más el voltaje en directo del diodo D1 (alrededor de 0.3 V) se
transfiere corriente a VDD.
5.2.3 Comunicación ZigBee. Como primer aspecto a analizar, es necesario definir los
criterios con los cuales se escogió el nodo inalámbrico usado en el presente proyecto. Es
de notar que muchas marcas comerciales están basadas en implementaciones del
estándar IEEE 802.15.4. Muchos de los fabricantes de dispositivos y desarroladores de
soluciones para usuario final hacen parte la organización ZigBee Alliance (76), que se
dedica principalmente a impulsar el desarrollo del estándar por medio del trabajo
colaborativo de sus miembros.
Fue escogido para el presente proyecto la marca de dispositivo ZigBee Xbee®
desarrollado por el fabricante Digi International®. Las especificaciones de potencia para la
gama de dispositivos Xbee® se muestra en la tabla 4 (77) de donde se eligió la referencia
Xbee® ZB por ser la que presenta un rango de voltaje más amplio, permitiendo a su vez
la posibilidad de pruebas por un lapso de tiempo mayor en comparación con las otras
referencias.
Ahora bien, la referencia exacta escogida es la ZigBee XB24-Z7WIT-004, dado que esta
referencia en particular posee una antena incorporada, lo que le permite transmitir a su
63
mayor distancia posible (40 m en interiores y 120 m en línea de vista (77)) sin necesidad
de acoplar antenas o realizar montajes externos para tal fin.
Tabla 4.Especificaciones de potencia para los dispositivos Xbee / XbeePro
Fuente: Digi International, «XBee®/XBee-PRO® ZB RF Modules». 2012.
Para el presente proyecto, el nodo inalámbrico tiene como función básica ejecutar los
protocolos
de
transmisión/recepción
usados
para
realizar
la
comunicación
microcontrolador – ZigBee y ZigBee – computador. El propósito es el de poder transmitir
datos de prueba que indiquen el estado del voltaje de alimentación del nodo ZigBee a lo
largo de cada experimento, de forma que el registro de estos datos puedan después ser
analizados en cada una de la pruebas hechas con combinaciones de celda fotovoltaica y
generador termoeléctrico.
Figura 29. Esquema de la comunicación ZigBee
En la figura 29 se muestra un esquema básico de la configuración de elementos para la
transmisión de datos desde el microcontrolador a un computador que es el encargado de
64
recibir y recolectar la información generada en el circuito. Esto es posible gracias al
Software X-CTU®, el cual es distribuido libremente por la misma empresa Digi
International quien fabrica los dispositivos Xbee utilizados en el presente proyecto.
Cabe anotar que no se desarrollaron para el microcontrolador funciones de captura o
sensado de datos que luego son transmitidos a través del nodo ZigBee, ya que la única
variable transmitida por este es el voltaje de alimentación que se muestrea en el
dispositivo a través del comando AT%V, propia del set de instrucciones que ya está
configurado en el dispositivo ZigBee. Estas instrucciones y los datos que transmite el
nodo son controlados a través del código que se muestra en la figura 30.
Figura 30.Diagrama de flujo de la función 'trama_xbee'
Dentro de los anexos al presente trabajo se encuentra el código en lenguaje C para todas
las instrucciones que desarrollan las tareas de transmisión de datos y control del
65
dispositivo ZigBee, las cuales están contenidas en una subrutina de control para el nodo
inalámbrico denominada “trama_xbee()” en dichos anexos. Parte importante de esta
función es la de controlar el flujo de información del puerto USART por medio de retardos
e instrucciones propias de la librería “usart.h” y sus funciones asociadas.
Cabe mencionar que para lograr una comunicación entre el microcontrolador y el
dispositivo ZigBee es necesario optar por una de dos posibles formas de comunicación:
una es por medio de tramas que contienen todas las instrucciones a ejecutar denominado
modo API, el cual consiste en armar una sola trama de datos en el formato especificado
por el fabricante. Otra forma de comunicarse por el puerto USART con el módulo ZigBee
es a través de comandos AT (o comandos Hayes) permiten enviar y recibir una cadena de
caracteres que conforman las instrucciones de las cuales se pretende obtener alguna
respuesta. Esta última fue la opción elegida de comunicación entre el microcontrolador y
el módulo ZigBee, teniendo en cuenta su obvia simplicidad para la implementación en
código.
5.2.4 Cargador de baterias NiCd. Por último, uno de los elementos que formó parte de los
experimentos pero que no se incluyó en el prototipo es el circuito cargador de baterías. Su
función es la de proveer a la batería principal del prototipo de pruebas la suficiente carga
para desarrollar cada uno de los experimentos de autonomía que serán desarrollados
más adelante en el capítulo 6. Para su construcción, se tomó como referencia el circuito
regulador de corriente descrito en el datasheet del integrado LM317 (78), el cual está
representado por IC1 en la figura 31.
Figura 31.Diagrama esquemático del cargado de batería
El propósito para el uso de este circuito es el de proveer una corriente constante de carga
66
a la batería, siendo este el método recomendado por la fuentes consultada (79). Se define
como C la corriente de descarga especificada para una batería dada; en el caso de este
proyecto se adquirió una batería de 330 mAh, siendo C = 330. Se optó por una carga
lenta para no deteriorar la batería por excesos de temperatura, siendo recomendada una
tasa de carga de 0.1C o 10% del valor nominal de la corriente de descarga (33 mA en
este caso) para evitar sobrecalentamientos de la batería (51). El circuito integrado
regulador de voltaje LM317 permite generar esta corriente de forma controlada, siendo
una opción rápida y fácil para lograr las condiciones de carga mencionadas.
I OUT =(
V REF
1,25V
)+ I ADJ =
R3
R3
(30)
Para lograr la corriente de carga establecida con el circuito de la figura 31, se recurrió a la
ecuación (30) que es definida por el fabricante para el cálculo del valor de resistencia R3
que genera la corriente de salida IOUT deseada. Dado que el valor resultante al despejar
R3 de la ecuación (30) es de 41,6 Ω, se opta por el uso de una resistencia variable tipo
“trimmer” de 100 Ω para poder ajustar manualmente el valor exacto de corriente
requerido.
67
6. EXPERIMENTOS Y RESULTADOS.
Con el propósito de llegar a resultados que permitieran cumplir con los objetivos
planteados para el presente proyecto, se realizaron diversos experimentos desde la
construcción de cada parte del prototipo experimental con el fin de dar consistencia a los
resultados obtenidos de los mismos. Básicamente, el propósito de la experimentación es
determinar el comportamiento del prototipo de pruebas primero con una sola fuente de
energía a la vez, y luego con las dos fuentes combinadas, midiendo en cada caso la
autonomía que lograba el modulo ZigBee con cada combinación de fuente de energía. En
los siguientes capítulos se describirán los procedimientos y datos obtenidos para cada
uno de los experimentos descritos.
6.1 DESCRIPCIÓN DE LOS EXPERIMENTOS
Para lograr los resultados que se relacionarán en los siguientes numerales, fueron tenidos
en cuenta los criterios y características generales listados a continuación, buscando con
estos que los resultados obtenidos fueran adecuados a los objetivos del presente
proyecto.
•
Las pruebas experimentales de donde fueron extraídos los datos se desarrollaron
sobre el circuito HYBRID-V1 que se muestra en la figura 32. Esta tarjeta de
circuitos contiene todas las partes funcionales definidas para el prototipo en el
capítulo 5, además de otros elementos con conectores, interruptores, entre otros,
que fueron añadidos a la misma para facilitar las pruebas que fuera necesario
desarrollar. Sin embargo, muchas estimaciones previas y pruebas preliminares de
cada una de las partes del sistema de prueba se hicieron sobre una board de
prototipos (protoboard) para de esta forma realizar las correcciones y ajustes
necesarios antes de llegar a un prototipo final.
68
Figura 32. Circuito prototipo HYBRID-V1
CIRCUITO BOOST
PIC
18LF
4520
CIRCUITO
PV
•
ZIGBEE
XBEE
CIRCUITO TEG
Teniendo en cuenta que el presente proyecto está enfocado en el área de las
energías alternativas, no se implementaron algoritmos que desarrollaran funciones
de control de tramas o enrutamiento de la información transmitida por el dispositivo
ZigBee. En lugar de esto se estimó que el peor caso consiste en una transmisión
continua de información, para que de esta forma se esté consumiendo energía
durante todo el tiempo del experimento sin lapsos entre cada uno de los datos que
constituyen las tramas de información.
•
Los instrumentos de medición utilizados en los experimentos corresponden a los
aparatos y equipos electrónicos que permitían visualizar el valor numérico que
tomaba cada variable. En resumen se utilizaron los siguientes :
•
Osciloscopio: Se optó por el uso de un osciloscopio digital UNI-T
UT2062CE, esto teniendo en cuenta que este tipo de instrumentos muestra
en pantalla las mediciones sobre algunos parámetros de las formas de
onda, simplificando de esta forma la toma de datos en cada experimento.
Además, permite exportar archivos con las formas de onda mostradas en
pantalla.
69
•
Multímetros digitales: Estos instrumentos permitieron la medición de las
variables voltaje, corriente y resistencia. Se usaron las referencias TECH
TM-135 (display de 3 ½ dígitos) y UNI-T UT71B (5 dígitos)
•
Termómetro digital: Para las mediciones del delta de temperatura sobre el
generador termoeléctrico fue utilizado un termómetro de doble sonda de
temperatura marca UNI-T UT325. Este termómetro se escogió debido a
que puede mostrar en pantalla directamente el valor de la diferencia de
temperatura entre las dos sondas que posee, facilitando el monitoreo del
delta de temperatura presente en las caras del generador termoeléctrico.
•
Luxómetro: En el caso de la cantidad de luz radiante en la celda
fotovoltaica se realizó la medición por medio de un luxómetro marca Minipa
MLM-1011, con el cual se verificaba que el nivel de iluminación en cada
experimento con la celda fotovoltaica.
•
En cada experimento se desarrolla una carga y descarga de la batería principal del
sistema, siendo el inicio de cada experimento la conexión de la batería recién
cargada por el circuito cargador descrito en el capítulo 5.2.4, y finaliza al momento
de alcanzar los 2,1 V que corresponden al voltaje mínimo que requiere el
dispositivo ZigBee para su funcionamiento (77).
•
Durante cada experimento se registran como datos principales el tiempo de
funcionamiento y el voltaje de alimentación del dispositivo ZigBee. Otros datos que
son tomados son el delta de temperatura en las caras del dispositivo
termoeléctrico, la iluminación incidente (lux) sobre la celda fotovoltaica, los cuales
son ajustados al inicio de cada experimento y no son variados durante el
transcurso del mismo.
6.1.1 Pruebas del prototipo sin fuentes externas. Antes de mostrar los datos tomados en
cada una de las pruebas, es necesario determinar la autonomía del sistema sin la
existencia del sistema de captación y control de energía como referente para el análisis
70
de la información obtenida. Para esto, se configuró la tarjeta de circuito impreso HYBRIDV1 de tal forma que ninguno de los elementos involucrados en el control de la energía
captada produzca un consumo de potencia de la batería principal. Con esto se busca que
el análisis de resultados refleje no solo el aporte energético de las fuentes termoeléctricas
y fotovoltaicas sino también el efecto que tienen los elementos encargados de aportar la
energía captada al funcionamiento del sistema.
En la tabla 5 se resume el consumo de potencia de los dispositivos involucrados en la
prueba preliminar, comparando el consumo estimado contra el consumo medido en el
circuito tanto para el caso con el dispositivo ZigBee como sin este elemento. En la
columna de la derecha se muestra la variación entre el consumo proyectado y el consumo
medido para cada uno de los circuitos integrados que fueron empleados para la
construcción del prototipo de pruebas. El error para cada caso corresponde a la precisión
del multímetro digital UNIT UT71B, el cual es de ±(0,2%) según el anexo correspondiente.
Tabla 5. Comparativo de consumo predicho vs. medido en circuito de prueba
Consumo
proyectado,
solo control
(mA@3,3V)
Consumo
medido, solo
control (mA@
3,3V)
Consumo
proyectado
control +
Zigbee
(mA@3,3V)
Consumo
medido
control +
Zigbee
(mA@3,3V)
Variación
PIC18LF4520
1,8
2,2
1,8
2,2
+22,2%
MIC5014 (x2)
0,07
0,02
0,07
0,02
-71,4%
INA283 (x2)
1,8
1,28
1,8
1,28
-29%
ICL7660
0,5
0,28
0,5
0,28
-44%
IRS4427
0,2
0,17
0,2
0,17
-15%
-
-
40
41
+2,5%
4,37
7,9
44,37
48,9
10,2%
Elemento
XB24-Z7WIT-004
Total
Teniendo en cuenta que las pruebas de autonomía contemplan que la batería sea cargada
y luego conectada en el prototipo hasta lograr el voltaje mínimo de operación (descarga),
se desarrollaron pruebas para determinar el tiempo de carga de la batería adecuado a los
parámetros de funcionamiento del circuito. En la tabla 6 se muestran los resultados de
estos experimentos.
71
Tabla 6.Autonomía del prototipo HYBRID-V1 a diferentes tiempos de carga
Prueba
No
VINICIAL (Voltios)
TCARGA (segundos)
TDESCARGA
(segundos)
1
3,34
150
84,08
2
3,36
150
83,86
3
3,368
150
84,29
4
3,67
300
106,86
5
3,66
300
118,21
6
3,7
300
122,8
7
3,75
450
175,75
8
3,75
450
187,73
9
3,68
450
205,42
Valor medio
TDESCARGA
(segundos)
84,07 ± 0,17%
115,95 ± 5,22%
189,63 ± 5,54%
De la tabla 6, la columna VINICIAL es el voltaje en los terminales de la batería al inicio de la
descarga, Tcarga muestra los tiempos de carga estimados para las pruebas, y T DESCARGA es la
autonomía del prototipo HYBRID-V1 únicamente con la batería (sin generador
termoeléctrico ni celda fotovoltaica). El valor medio en la columna de la derecha
corresponde el promedio de los tres tiempo de descarga medidos, y el error fue calculado
como error absoluto de una serie de medidas n ≤ 4 (desviación media) (80). Como se
observa en la misma tabla, se iniciaron las pruebas con tiempo de carga de 2 minutos y
medio (150 segundos) y se llega hasta un valor de 7 minutos y medio (450 segundos).
Luego de este tiempo se obtuvieron valores de VINICIAL por encima de 3,8 voltios, los
cuales pueden averiar los componentes electrónicos del prototipo, por lo que el resto de
pruebas de autonomía se realizaron con un tiempo de carga de 450 segundos.
El valor de tiempo de carga escogido es menor del tiempo típico de carga para baterías
NiMH, el cual puede variar de entre 5 a 15 horas dependiendo de la capacidad y
configuración del arreglo de celdas que constituyen la batería (51) ,el cual, como se
explicó en el párrafo anterior, puede cargarla a un valor de voltaje que podría averiar los
componentes electrónicos del prototipo. Para la descarga de la batería, fueron medidos
valores de corriente suministrados por la batería al circuito de pruebas de entre 48 mA y
46 mA, correspondiendo a un valor de alrededor de 0,15C respecto a la capacidad de la
batería, explicando esto los tiempo de descarga menores que se registraron en los
72
experimentos de autonomía descritos más adelante.
Luego de presentados los datos preliminares de consumo energético del prototipo sin
elementos captadores de energía, se procede a presentar en los siguientes numerales los
resultados obtenidos en los casos en que se aporta energía de las fuentes termoeléctrica,
fotovoltaica, y la combinación de las dos.
6.1.2 Autonomía con un solo captador de energía.
Luego de la caracterización del
prototipo HYBRID-V1 sin ninguna fuente de energía diferente a la batería principal del
sistema, se procedió a realizar la medición de autonomía que presentaba el dispositivo
ZigBee dado el aporte energético del generador termoeléctrico o de la celda fotovoltaica.
Los resultados de estos experimentos se muestran en las tablas 7 y 8, en donde los
errores reportados de nuevo fueron calculados como la desviación media de las dos
réplicas respecto al promedio calculado.
Tabla 7. Autonomía de prototipo HYBRID-V1 con captador termoeléctrico
DELTAS DE
TEMPERATURA
(ºC)
AUTONOMÍA (segundos)
Réplica 1
Réplica 2
Promedio
4
197,43
229,56
213,495 ± 15,05%
6
235,14
181,75
208,445 ± 25,61%
9
268,68
268,51
268,595 ± 0,06%
12
272,73
276,82
274,775 ± 1,5%
15
279,14
281,37
280,255 ± 0,8%
Tabla 8. Autonomía de prototipo HYBRID-V1 para celda fotovoltaica SLMD121H10L
NIVEL DE
ILUMINACIÓN
(lx)
AUTONOMÍA (segundos)
Réplica 1
Réplica 2
Promedio
300
211,07
185,34
198,205 ± 12,1%
500
196,21
203,53
199,87 ± 3,66%
800
219,54
217,41
218,475 ± 0,97%
1000
216,17
214,76
215,465 ± 0,65%
1470
222,51
229,5
226,005 ± 3,09%
1500
233,7
226,8
230,25 ± 3%
73
6.1.3 Combinación de generador termoeléctrico y celda fotovoltáica. Como última prueba
de la etapa experimental del proyecto se procedió a realizar pruebas de autonomía en el
dispositivo ZigBee combinando la energía entregada por el generador termoeléctrico y la
celda fotovoltaica, conmutando la entrega de energía entre los dos tipos captadores. Esto
implica un problema adicional en el desarrollo de este experimento, que consiste en
definir de forma adecuada los tiempos en que una fuente u otra esta conectada al circuito
boost por medio del MOSFET correspondiente.
Para lograr la conmutación adecuada entre fuentes de energía, se construyó un algoritmo
que le permite al microcontrolador generar una interrupción en los periodos de tiempo
definidos para desarrollar lo que se denomina un ciclo de transferencia de energía (35), el
cual consiste simplemente en una secuencia completa de entrega de energía de los dos
captadores en este caso.
Figura 33. Diagrama de flujo de interrupción por desborde de Timer3
74
En la figura 33 se ilustra el algoritmo de conmutación mencionado el cual está basado en
la interrupción por desborde del Timer3 del microcontrolador, siendo la función de este
establecer el tiempo en que está activo (entregando energía) ya sea el generador
termoeléctrico o la celda fotovoltaica para completar un ciclo de transferencia de energía.
Para obtener los tiempos de conmutación entre el generador termoeléctrico y la celda
fotovoltaica se recurrió a las fórmulas del artículo de referencia (35) , en donde relaciona
la potencia entregada por cada captador con el periodo de tiempo en que dicha fuente
permanece activa (entregando energía):
P in.k =
T clk
V I , k2 N k
8L N T
(31)
En la ecuación (31), Pin.k representa la potencia entregada por una de las posibles k
fuentes del convertidor conmutado, TCLK es el periodo del reloj que genera los N pulsos
para cada convertidor, L representa a la inductancia del convertidor boost, VI,k es el voltaje
entregado por cada una de las K fuentes de energía, y NK es el número de pulsos en que
la k-esima fuente de energía está activa. La incógnita de la ecuación (31) es NK,
representando el periodo de tiempo en que la k-esima fuente (puede ser la fotovoltáica o
la termoeléctrica en este caso) está conectada al circuito boost para entregar energía. Al
despejar, por ejemplo, para la celda fotovoltaica iluminada a 300 lx se obtiene:
N PV −300lx=
8 · PI · L · N T
2
I
V · T CLK
=
8 ·(32,72μ W )· (412,3μ H ) ·(2048)
=4,98≈5
2
(1,3V ) ·(26,25μ S )
(32)
Este ejemplo indicaría que la fuente fotovoltaica a 300 lx debe entregar su energía
durante 5 pulsos de 26,25 μs cada uno, lo que equivale a 131,2 μs. Según el diagrama de
flujo de la figura 33 este valor correspondería al “Periodo de tiempo PV”, el cual es el
tiempo en que la celda fotovoltaica entrega energía a través del transistor Q 2 (figura 28)
para que el circuito boost realice la correspondiente elevación de voltaje.
75
Se muestra en la tabla 9 los valores calculados según la ecuación (32) para los valores de
NK y el periodo de tiempo calculado teniendo en cuenta que a la frecuencia de
conmutación del PWM (38,1 kHz) cada pulso tiene una duración de 26,25 μs; y los valores
de potencia y voltaje proceden de las tablas 2 y 3 en donde se presentaron los puntos
máximos resultados de la caracterización del generador termoeléctrico y la celda
fotovoltaica. Solo se tomaron los valores extremos en el rango de experimentación
definidos para los dos captadores de energía, ya que estos corresponden a los niveles
máximo y mínimo en el experimento factorial definido más adelante.
Tabla 9. Número de pulsos NK y periodo de tiempo para cada uno de los niveles del
experimento factorial
Variable - nivel
Valor NK Periodo
ΔT = 4 ºC
512 13,46 ms
ΔT = 15 ºC
450 11,83 ms
Iluminación = 300 lx
5
Iluminación = 1500 lx
131,2 μs
13 341,25 μs
A manera de comprobación, se muestra en la figura 34 una imagen tomada con el
osciloscopio UTD2062CE de los pulsos NK para la combinación de ΔT = 4 ºC y un nivel de
iluminación de 300 lx. En color azul se muestra el pulso de control en el transistor Q1 para
el generador termoeléctrico y en color amarillo el correspondiente para el la celda
fotovoltaica. Además, en las mediciones se puede observar que el periodo de un ciclo
completo de transferencia de energía es de aproximadamente 54 ms, lo que corresponde
al periodo de tiempo de los 2048 pulsos usados en la ecuación (32) de 26,25 μs cada uno.
76
Figura 34.Imagen de osciloscopio con pulsos de control SW1 y SW2 para generador
termoeléctrico @ 4ºC y celda fotovoltáica @300 lx
Aparte de lo anterior, se muestra en las figura 35(a) y 35(b) los pulsos de control para el
generador termoeléctrico y la celda fotovoltaica con sus correspondientes voltajes,
mostrando que en cada momento que se presenta un pulso de control también se da una
caída de voltaje en cada captador, el cual tiende a recuperarse mientras llega el tiempo
del siguiente pulso de control.
Figura 35.Imágenes de osciloscopio de pulsos de control en (a) celda fotovoltaica y (b)
generador termoeléctrico
(a)
(b)
77
6.2 ANÁLISIS ESTADÍSTICO.
Para el desarrollo de las pruebas respectivas se tuvo en cuenta que los resultados
corresponderán a los de un experimento factorial de dos factores (2 2) y una respuesta, en
donde los factores corresponden al delta de temperatura en el generador termoeléctrico
(Factor A) y el nivel de iluminación en la celda fotovoltaica (Factor B), y la variable de
respuesta es la autonomía obtenida (segundos) con las combinaciones de los factores
descritos. Teniendo esto en cuenta y según los rangos de medición definidos para el
presente proyecto (numerales 5.2.1 y 5.2.2) se definen los niveles de experimentación de
la siguiente manera:
•
Factor A (Nivel de iluminación).
Nivel A- : 300 lx
Nivel A+ : 1500 lx
•
Factor B (Delta de temperatura).
Nivel B - : 4 ºC
Nivel B+ : 15 ºC
Para cada uno de los factores y niveles definidos fueron realizadas dos replicas, cuyos
resultados se muestran en la tabla 10.
Tabla 10. Resultados de experimentos para combinación de factores. Los valores
numéricos están en unidades de segundos.
FACTOR
REPLICAS
A
B
Nom.10
-
-
(1)
+
-
+
I
II
Suma
Promedio
215,2 216,54 431,74
215,87 ± 0,31%
a
226,1
230,59 456,69
228,34 ± 0,98%
+
b
243,62
244,7
488,32
244,16 ± 0,22%
+
ab
256,82 256,68
513,5
256,75 ± 0,027%
Los resultados mostrados en la tabla 10 muestran un incremento en la autonomía a
10 Nom. : Nomenclatura usada para el cálculo de interacciones y efectos
78
medida que se van combinando los factores. Comparando la combinación de factores A- y
B- con la combinación A+ y B+ se evidencia un aumento de la autonomía alrededor del
19%. Ahora bien, comparados la tabla 10 con los obtenidos de la autonomía del sistema
sin fuentes externas de energía (tabla 6) se muestra que la autonomía se duplica al
incorporar las dos fuentes de energía en su mínimo nivel (delta T = 4ºC y 300 lx), y
comparado con el nivel máximo definido (delta T = 15ºC y 1500 lx) se obtuvo un aumento
en la autonomía alrededor de dos veces y media.
Para iniciar con el análisis estadístico, se muestra a continuación los cálculos de los
efectos principales de los factores A y B sobre la respuesta (81), quedando de la siguiente
forma:
1
1
[ab+ a−b−(1)]=
[513,5+ 431,74−488,32−431,74]=6,295
2n
2(2)
(33)
1
1
[ab+b−a−(1)]=
[513,5+ 488,32−456,69−431,74]=113,39
2n
2(2)
(34)
A=
B=
El valor del efecto de mayor magnitud calculado corresponde al generador termoeléctrico
(Factor B), seguido por el efecto de la celda fotovoltaica (Factor A) y un valor menor a 1
en el efecto de la interacción de los dos factores. Por último, para complementar los
cálculos anteriores se recurrió a la versión demo del software Design Expert 9 para el
análisis ANOVA correspondiente.
Los valores del diseño experimental se muestran en la tabla 11, en donde la columna
“Std” enumera el total de las replicas tomadas, Run enlista cada una de las corridas
experimentales, Factor 1 y Factor 2 son las combinaciones de los factores iluminación y
delta de temperatura, y la columna Response 1 son los datos de autonomía extraídos de
la tabla 10.
79
Tabla 11. Valores de diseño ingresados al software Design Expert
Luego de ingresados los valores en el software de análisis estadístico se obtuvieron los
resultados los resultados del análisis ANOVA mostrados en la tabla 12. Se debe tener en
cuenta, además, que el mismo software arroja un valor de R 2 = 0.9940, lo que indica que
se presentó una baja dispersión de los datos obtenidos en los experimentos.
Uno de los aspectos más importantes a analizar de la tabla 12 es que los valores de F
muestran un efecto significativo de cada uno de los factores A-iluminación (Valor de F =
108.5) y B-Delta de temperatura (Valor de F = 555.59) en la respuesta del sistema
comparándolos con los respectivos de la tabla estándar para la distribución F (F 0,05,1,4 =
7,71 para los dos factores). Además, el valor de F correspondiente al generador
termoeléctrico muestra que fue posible extraer más energía de este elemento en
comparación con la que se obtuvo de la celda fotovoltaica.
80
Tabla 12. Resultados del análisis ANOVA hecha por el software Design Expert®
Otro valor representativo de la tabla 12 es el valor de F para la combinación AB de
factores, en donde se observa que la interacción de los dos factores no influye en la
respuesta del sistema. Este resultado puede explicarse con el hecho de que, al activar el
modo de funcionamiento con las dos fuentes de energía, el consumo de los circuitos de
conmutación y control no demandan una cantidad de energía significativa respecto a la
cantidad de energía captada por las dos fuentes de forma simultánea. Este resultado
demuestra que es posible combinar dos fuentes de energía en un mismo esquema
conmutado para lograr un aumento en la autonomía de un nodo inalámbrico.
Con estos datos se da por terminada la etapa experimental. En el capítulo 7 se harán los
análisis correspondientes a los resultados y evaluaciones realizadas durante todo el
desarrollo del proyecto.
81
7. ANALISIS Y CONCLUSIONES
Los resultados obtenidos han demostrado que es posible aumentar la autonomía con dos
fuentes de energía en lugar de captar energía con una sola. El aumento en el porcentaje
de autonomía mostrados en la tabla 10 entre el la combinación de factores A-B- y A+B+
es de alrededor del 19%, mostrando que es posible lograr este objetivo combinando dos
fuentes mediante un funcionamiento multiplexado de las mismas, pudiendo combinarlas
en un esquema de funcionamiento diferente al Parallel Hybrid Energy Harvesting (29)
propuesto por Tan y otros para aplicaciones en nodos inalámbricos.
Además, al demostrar con un análisis ANOVA que no se presentó interacción entre los
factores experimentales (tabla 12) se comprueba que en el funcionamiento con dos
fuentes de energía con el esquema propuesto no se afecta la autonomía del sistema. Una
explicación podría ser que, al conectar de forma alternada cada captador de energía al
circuito boost por medio de los elementos nombrados SW1 y SW2 previamente, el
consumo asociado por el funcionamiento de estos interruptores (MOSFETS) no es
significativo respecto a la cantidad de energía extraída de los captadores.
Puede notarse en la tabla 12 la fuerte influencia de los factores en la respuesta del
sistema, en particular el aporte del generador termoeléctrico. Esto no necesariamente
indica que una fuente de energía sea mejor que otra, o que no sea posible obtener una
mejora real de la autonomía en un nodo inalámbrico tipo ZigBee usando una celda
fotovoltáica, ya que estos resultados también pueden explicarse por la cantidad de
energía que pudo ser extraída de cada una de las fuentes por algunos de los siguiente
motivos:
•
Las pérdidas en el circuito debido a la resistencia interna de la bobina, las caídas
de voltaje en los transistores tipo MOSFET usados en la conmutación, entre otros,
reducen la cantidad de energía que puede ser transferida a la carga. Esto es más
evidente en aplicaciones como la del presente proyecto, en donde las pérdidas
debido a componentes del circuito reducen en gran proporción la cantidad de
energía que es posible aprovechar en la carga.
82
•
Otro aspecto relacionado con los componentes es lo referente a los tiempos de
respuesta de los diferentes elementos involucrados en la etapa de potencia como
los drivers de los MOSFET's o los transistores encargados de la conmutación. Se
observa en las figuras 34 y 35 (gráficas de osciloscopio con pulsos de control) que
en el caso de la conmutación para el generador termoeléctrico hay una pequeña
curva que representa el retardo de conmutación propio del circuito integrado
MIC5014, encargado de conmutar el MOSFET que permite el paso de la corriente
entregada por el generador termoeléctrico (Q1 de la figura 28). El tiempo de esta
curva representa el tiempo en que el transistor pasa de estar apago a estar en
plena conducción, tiempo en el cual no es transferida toda la potencia disponible
al circuito boost. Para el caso del pulso de control que conmuta el MOSFET
asociado a la celda fotovoltaica (Q2 de la figura 28), se puede observar en las
imágenes de osciloscopio que su amplitud no alcanza el voltaje máximo que es
posible obtenerse con el driver MIC5014, dejando el MOSFET “a medio
conmutar”.
•
Se puede observar en la tabla 5, que el módulo ZigBee tiene un consumo elevado
(135mW) respecto a la potencia máxima que puede ser extraída de cualquiera de
las dos fuentes, en donde el mejor caso es de 290 µW para el generador
termoeléctrico a un delta de temperatura de 15 ºC. Esto es acentuado en la
experimentación por la forma continua de transmitir los datos, lo cual no le permite
a la batería recuperar algo de la energía consumida durante las pausas entre
tramas de información.
A pesar de lo anterior, también se puede concluir de la tabla 12 que ninguno de los dos
factores tiene efectos negativos en la respuesta, reafirmando que es posible mejorar la
autonomía en la medida que sea optimizado el diseño. Algunas consideraciones para
futuros desarrollos y proyectos derivados del presente se enumeran a continuación:
•
Es importante no perder el enfoque del proyecto hacia las redes de sensores
inalámbricos, en donde el fin perseguido es tener la autonomía suficiente para que
estos sistemas operen por largos periodos de tiempo sin intervención humana en
lo que se ha denominado Sistemas Autónomos en Energía (EAS por las siglas en
83
ingles para Energy Autonomous Systems (34,59) . Como posibles desarrollos
posteriores se sugiere la optimización del sistema para desarrollar pruebas de
validación del mismo, combinado con un desarrollo de algoritmos óptimos de
enrutamiento para de esta forma llegar a aplicaciones concretas en donde la
autonomía sea un factor crítico de diseño.
•
La elección de los componentes es de especial importancia en el diseño del
convertidor tipo boost. Queda demostrado que en este tipo de aplicaciones, en
donde la baja cantidad de energía a ser convertida puede incluso consumirse en el
circuito convertidor tipo boost, cada pérdida que pueda ser reducida por retardo en
la conmutación o resistencias parásitas aumentará la cantidad de energía
disponible por el nodo inalámbrico.
•
El
circuito boost podría replantearse basado en otro tipo de convertidores
conmutados (25) , evaluando la cantidad de potencia y autonomía obtenidos por
otros circuitos y esquemas de funcionamiento existentes en la literatura. Esto
podría significar la adición de otros componentes al circuito, lo cual es un aspecto
delicado al implicar más perdidas en el circuito convertidor.
•
También es importante establecer la impedancia interna de cada captador de
energía en el modelo Thévenin del mismo, ya que siempre se busca, desde la
perspectiva del captador, que sea transferida la mayor cantidad de potencia a la
carga. Determinar este valor es importante teniendo en cuenta que una variación
muy significativa en la relación entre la impedancia interna y la impedancia de
carga del circuito puede provocar que una gran cantidad de energía disponible en
el captador no sea transferida adecuadamente al circuito convertidor.
Las anteriores consideraciones se realizaron teniendo en cuenta los planteamientos,
procedimientos y resultados llevados a cabo en el presente proyecto. Se concluye que
fueron cumplidos tanto el objetivo general como los objetivos específicos mencionados en
el capítulo 3. No se incluyen resultados o análisis debido a validaciones del sistema,
teniendo en cuenta lo establecido como criterios de experimentación en el capítulo 6.
84
8. BIBLIOGRAFÍA
1.
Roy Yarza A, Catalán López J. TFM: Energy harvesting. 2011.
2.
data sheet – Dictionary definition of data sheet | Encyclopedia.com: FREE online
dictionary [Internet]. [citado 21 de julio de 2014]. Recuperado a partir de:
http://www.encyclopedia.com/doc/1O11-datasheet.html
3.
Definición de firmware — Definicion.de [Internet]. Definición.de. [citado 21 de julio de
2014]. Recuperado a partir de: http://definicion.de/firmware/
4.
MICROCONTROLADORES [Internet]. [citado 25 de marzo de 2014]. Recuperado a
partir de: http://axnm.galeon.com/
5.
Circuito Modulador por Ancho de Pulso [Internet]. [citado 21 de julio de 2014].
Recuperado a partir de: http://daqcircuitos.net/index.php/circuitos-con-el-timer555/circuito-modulador-por-ancho-de-pulso/116-circuito-modulador-por-ancho-depulso
6.
Sensibilidad espectral, [Internet]. [citado 25 de marzo de 2014]. Recuperado a partir
de: http://centrodeartigos.com/articulos-para-saber-mas/article_46247.html
7.
Supercapacitor Information – Battery University [Internet]. [citado 25 de marzo de
2014].
Recuperado
a
partir
de:
http://batteryuniversity.com/learn/article/whats_the_role_of_the_supercapacitor
8.
transceptor | semantix [Internet]. [citado 21 de julio de 2014]. Recuperado a partir de:
http://semantix.eajusti.com/termino-semantico/transceptor
9.
Puertos serie: la UART [Internet]. [citado 21 de julio de 2014]. Recuperado a partir
de: http://www.zator.com/Hardware/H2_5_1_1.htm
10. Gilbert J, Balouchi F. Comparison of energy harvesting systems for wireless sensor
networks. Int J Autom Comput. 2008;5(4):334-47.
11. Historical Timeline - Alternative Energy - ProCon.org [Internet]. [citado 13 de
septiembre
de
2014].
Recuperado
a
partir
de:
http://alternativeenergy.procon.org/view.timeline.php?timelineID=000015
12. Pneumatic Options Research Library [Internet]. [citado 13 de septiembre de 2014].
Recuperado a partir de: http://www.aircaraccess.com/history.htm
13. Steam cars - The first Automobiles [Internet]. [citado 13 de septiembre de 2014].
Recuperado a partir de: http://www.hybrid-vehicle.org/hybrid-vehicle-first-auto.html
14. Car History 4U - History of Steam Powered Vehicles [Internet]. [citado 13 de
septiembre de 2014]. Recuperado a partir de: http://www.carhistory4u.com/the-earlyhistory/steam-powered
85
15. History of Electric Cars [Internet]. [citado 13 de septiembre de 2014]. Recuperado a
partir de: http://www.edisontechcenter.org/ElectricCars.html
16. EV History - Electric Auto Association [Internet]. [citado 13 de septiembre de 2014].
Recuperado a partir de: http://www.electricauto.org/?page=evhistory
17. Ethanol Fuel History. [Internet]. [citado 13 de septiembre de 2014]. Recuperado a
partir de: http://www.fuel-testers.com/ethanol_fuel_history.html
18. Morais PB, Rosa CA, Linardi VR, Carazza F, Nonato EA. Production of fuel alcohol
by Saccharomyces strains from tropical habitats. Biotechnol Lett. noviembre de
1996;18(11):1351-6.
19. Sustainability Index [Internet]. [citado 13 de junio de 2014]. Recuperado a partir de:
http://www.worldenergy.org/data/sustainability-index/
20. Weddell AS, Merrett GV, Al-Hashimi BM. Photovoltaic Sample-and-Hold Circuit
Enabling MPPT Indoors for Low-Power Systems. Circuits Syst Regul Pap IEEE Trans
On. junio de 2012;59(6):1196-204.
21. Eu ZA, Tan H-P, Seah WKG. Opportunistic routing in wireless sensor networks
powered by ambient energy harvesting. Comput Netw. 3 de diciembre de
2010;54(17):2943-66.
22. Kadirvel K, Ramadass Y, Lyles U, Carpenter J, Ivanov V, McNeil V, et al. A 330nA
energy-harvesting charger with battery management for solar and thermoelectric
energy harvesting. Solid-State Circuits Conference Digest of Technical Papers
(ISSCC), 2012 IEEE International. 2012. p. 106-8.
23. Alippi C, Galperti C. An Adaptive System for Optimal Solar Energy Harvesting in
Wireless Sensor Network Nodes. IEEE Trans Circuits Syst Regul Pap. julio de
2008;55(6):1742-50.
24. Brunelli D, Benini L, Moser C, Thiele L. An Efficient Solar Energy Harvester for
Wireless Sensor Nodes. Design, Automation and Test in Europe, 2008 DATE ’08.
2008. p. 104-9.
25. Femia N, Petrone G, Spagnuolo G, Vitelli M. Power Electronics and Control
Techniques for Maximum Energy Harvesting in Photovoltaic Systems [Internet].
Taylor & Francis; 2012. Recuperado a partir de: http://books.google.com.co/books?
id=-gptmTieSnAC
26. Laird I, Lovatt H, Savvides N, Lu D, Agelidis VG. Comparative study of maximum
power point tracking algorithms for thermoelectric generators. Power Engineering
Conference, 2008 AUPEC ’08 Australasian Universities. 2008. p. 1-6.
27. Zhou Y. Energy Harvesting Using a Thermoelectric Generator and Generic Rulebased Energy Management [Internet] [thesis]. Case Western Reserve University;
2007
[citado 9 de
mayo
de 2012].
Recuperado
a partir
de:
86
http://etd.ohiolink.edu/view.cgi?acc_num=case1196802707
28. Knight C, Davidson J. Thermal Energy Harvesting for Wireless Sensor Nodes with
Case Studies. En: Mukhopadhyay SC, Leung H, editores. Advances in Wireless
Sensors and Sensor Networks [Internet]. Springer Berlin Heidelberg; 2010 [citado 7
de
julio
de
2012].
p.
221-42.
Recuperado
a
partir
de:
http://www.springerlink.com/content/ul8v4m42111u370g/abstract/
29. Tan YK. Energy Harvesting Autonomous Sensor Systems: Design, Analysis, and
Practical Implementation. CRC Press; 2013. 256 p.
30. Harb A. Energy harvesting:
2011;36(10):2641-54.
State-of-the-art.
Renew
Energy.
octubre
de
31. Lallart M, Guyomar D, Jayet Y, Petit L, Lefeuvre E, Monnier T, et al. Synchronized
switch harvesting applied to self-powered smart systems: Piezoactive
microgenerators for autonomous wireless receivers. Sens Actuators Phys. 15 de
septiembre de 2008;147(1):263-72.
32. Wang WS, Wang N, Hayes M, O’Flynn B, Ó Mathúna SC. Hybrid energy storage for
energy harvesting powered wireless sensor networks [Internet]. 2011 [citado 17 de
julio de 2012]. Recuperado a partir de: http://cora.ucc.ie/handle/10468/533
33. Penella López MT, Gasulla Forner M. Runtime extension of low-power wireless
sensor nodes using hybrid-storage units. marzo de 2010 [citado 1 de mayo de 2012];
Recuperado a partir de: http://upcommons.upc.edu/e-prints/handle/2117/10973
34. Belleville M, Fanet H, Fiorini P, Nicole P, Pelgrom MJM, Piguet C, et al. Energy
autonomous sensor systems: Towards a ubiquitous sensor technology. Microelectron
J. noviembre de 2010;41(11):740-5.
35. Shi C, Miller B, Mayaram K, Fiez T. A Multiple-Input Boost Converter for Low-Power
Energy Harvesting. Circuits Syst II Express Briefs IEEE Trans On. diciembre de
2011;58(12):827-31.
36. Tan YK, Panda SK. Energy Harvesting From Hybrid Indoor Ambient Light and
Thermal Energy Sources for Enhanced Performance of Wireless Sensor Nodes. Ind
Electron IEEE Trans On. septiembre de 2011;58(9):4424-35.
37. Costis Kompis SA. Energy Harvesting Technologies to enable Remote and wireless
Sensing. Vodera Ltd and Zartech Ltd.; 2008.
38. Dorf R, Dorf RC, Svoboda JA. Circuitos eléctricos: introducción al análisis y diseño
[Internet].
Marcombo;
2000.
Recuperado
a
partir
de:
http://books.google.com.co/books?id=iUrXVfW3gVQC
39. Teorema de Maxima Transferencia de Potencia [Internet]. sistemaselectricosiupsm.
[citado
13
de
junio
de
2014].
Recuperado
a
partir
de:
http://sistemaselectricosiupsm.wordpress.com/2011/10/02/teorema-de-maxima-
87
transferencia-de-potencia/
40. Lin Luo F, Ye H. Advanced DC/DC Converters. CRC Press, BocaRaton, Florida, USA.
2004; 2003. ISBN: 978-0-8493-1956-3, 978-0-203-49292-5. 749 p.
41. Gabriunas V. Reguladores switcheados. Apuntes de Electrónica. Universidad Distrital
Francisco José de Caldas; 1999. p. 212.
42. Floyd TL, Salas RN. Principios de circuitos eléctricos. 8 ED [Internet]. Pearson
Educación; 2007. Recuperado a partir de: http://books.google.es/books?
id=OU27cQAACAAJ
43. Ramadass YK, Chandrakasan A. A Battery-Less Thermoelectric Energy Harvesting
Interface Circuit With 35 mV Startup Voltage. IEEE J Solid-State Circuits. enero de
2011;46(1):333-41.
44. Eichhorn T. Boost Converter Efficiency with Accurate Calculations pdf free ebook
download [Internet]. 2008 [citado 2 de octubre de 2014]. Recuperado a partir de:
www.powerelectronics.com
45. Farahani S. ZigBee Wireless Networks and Transceivers [Internet]. Elsevier Science;
2011.
Recuperado
a
partir
de:
http://books.google.com.co/books?
id=m5NYbUpqXY0C
46. ZigBee Alliance > Home [Internet]. [citado 16 de marzo de 2014]. Recuperado a partir
de: https://www.zigbee.org/
47. Fuller TF, Doyle M, Newman J. Relaxation Phenomena in Lithium‐Ion‐Insertion Cells.
J Electrochem Soc. 4 de enero de 1994;141(4):982-90.
48. Bergveld HJ, Kruijt WS, Notten PHL. Battery Management Systems - Design by
Modelling [Internet]. SPRINGER-SCIENCE+BUSINESS MEDIA, B.V.; 2002 [citado
28 de septiembre de 2014]. 295 p. Recuperado a partir de:
http://www.springer.com/chemistry/electrochemistry/book/978-1-4020-0832-0
49. NiMH BATTERY FREQUENTLY ASKED QUESTIONS [Internet]. [citado 29 de
septiembre de 2014]. Recuperado a partir de: http://batteries.com.ne.kr/Battery/NiMH
BATTERY FREQUENTLY ASKED QUESTIONS.htm
50. Technical Tips for NiCd and NiMH Battery Pack Users — CamLight Systems
[Internet]. [citado 29 de septiembre de 2014]. Recuperado a partir de:
http://www.camlight.com/techinfo/techtips.html
51. Battery Chargers and Charging Methods [Internet]. [citado 9 de septiembre de 2014].
Recuperado a partir de: http://www.mpoweruk.com/chargers.htm
52. Linden D, Reddy TB. Handbook of batteries. McGraw-Hill; 2002. 1498 p.
53. Eady F. Hands-On ZigBee: Implementing 802.15.4 with Microcontrollers [Internet].
88
Elsevier Science; 2010. Recuperado a partir de: http://books.google.com.co/books?
id=_KcH0wrcavgC
54. Cui S, Goldsmith AJ, Bahai A. Energy-efficiency of MIMO and cooperative MIMO
techniques in sensor networks. Sel Areas Commun IEEE J On. 2004;22(6):1089-98.
55. Moser C, Brunelli D, Thiele L, Benini L. Lazy Scheduling for Energy Harvesting
Sensor Nodes.
56. Tran-Thanh L, Rogers A, Jennings N. Long-term information collection with energy
harvesting wireless sensors: a multi-armed bandit based approach. Auton Agents
Multi-Agent Syst. 2012;25(2):352-94.
57. Moser C, Chen J-J, Thiele L. Power management in energy harvesting embedded
systems with discrete service levels. Proceedings of the 14th ACM/IEEE international
symposium on Low power electronics and design [Internet]. New York, NY, USA:
ACM; 2009 [citado 18 de julio de 2012]. p. 413-8. Recuperado a partir de:
http://doi.acm.org/10.1145/1594233.1594338
58. Dudney NJ. Thin Film Batteries for Energy Harvesting. En: Priya S, Inman DJ,
editores. Energy Harvesting Technologies [Internet]. Springer US; 2009 [citado 7 de
julio
de
2012].
p.
355-63.
Recuperado
a
partir
de:
http://www.springerlink.com/content/t7777945488m70h8/abstract/
59. Alex S. Weddell GVM. Energy Harvesting and Management for Wireless Autonomous
Sensors [Internet]. e-prints Soton Universidad de Southampton; 2008 [citado 12 de
abril de 2012]. Recuperado a partir de: http://eprints.soton.ac.uk/265342/
60. Proprietary Technology Law & Legal Definition [Internet]. [citado 16 de enero de
2014]. Recuperado a partir de: http://definitions.uslegal.com/p/proprietarytechnology /
61. Lu X, Yang S-H. Solar Energy Harvesting for ZigBee Electronics. En: Howlett RJ, Jain
LC, Lee SH, editores. Sustainability in Energy and Buildings [Internet]. Springer
Berlin Heidelberg; 2009 [citado 3 de mayo de 2012]. p. 19-27. Recuperado a partir
de: http://www.springerlink.com/content/t62g20v83m3r7374/abstract/
62. HARROP, Peter. ZigBee for Energy Harvesting and Very Low Power - Energy
Harvesting Journal [Internet]. [citado 4 de mayo de 2012]. Recuperado a partir de:
http://www.energyharvestingjournal.com/articles/zigbee-for-energy-harvesting-andvery-low-power-00002316.asp?sessionid=1
63. Priya S, Inman DJ. Energy Harvesting Technologies. Softcover reprint of hardcover
1st ed. 2009 edition. New York: Springer; 2010. 524 p.
64. IXOLARTM High Efficiency SolarBIT & SolarMD [Internet]. Technology. [citado 18 de
septiembre
de
2014].
Recuperado
a
partir
de:
http://ixapps.ixys.com/PartDetails.aspx?pid=8285&r=1
89
65. Quantum Efficiency [Internet]. [citado 18 de septiembre de 2014]. Recuperado a
partir de: http://www.pveducation.org/pvcdrom/solar-cell-operation/quantum-efficiency
66. Emad M. Ahmed, Masahito Shoyama. Variable Step Size Maximum Power Point
Tracker Using a Single Variable for Stand-alone Battery Storage PV Systems. J
Power Electron. marzo de 2011;Vol. 11(No. 2):218-27.
67. International Dark-Sky Association (IDA). Terminology and Units in Lighting and
Astronomy [Internet]. IDA, Inc.; [citado 10 de octubre de 2012]. Recuperado a partir
de: http://www.darksky.org/assets/documents/Archive IS099.pdf
68. OSLON® Square | LEDs for General... | OSRAM Opto Semiconductors [Internet].
[citado 18 de septiembre de 2014]. Recuperado a partir de: http://www.osramos.com/osram_os/en/products/product-catalog/leds-for-general-lighting/oslonsquare/index.jsp
69. Patel A, Kumar V, Kuma Y. Golden Section Search Optimization Technique For
Maximum Power Point Tracking [Internet]. 2013 [citado 9 de febrero de 2014].
Recuperado a partir de: http://www.ijera.com/papers/Vol3_issue2/GN3212041209.pdf
70. A.J. Mahdi, W.H. Tang, Q.H. Wu. Improvement of a MPPT Algorithm for PV Systems
and Its Experimental Validation. Granada (Spain); 2010. p. 6. Recuperado a partir de:
http://www.icrepq.com/icrepq%2710/419-Mahdi.pdf
71. Francisco M. González-Longatt. Model of Photovoltaic Module in Matlab TM [Internet].
2005.
Recuperado
a
partir
de:
http://personnel.univreunion.fr/lanson/typosite/fileadmin/documents/pdf/Heuristiques_M2/Projet/lecture_M
odelPV.pdf
72. Sera D, Sera D. Real-time Modelling, Diagnostics and Optimised MPPT for
Residental PV Systems. Institut for Energiteknik, Aalborg Universitet; 2009.
73. Onat N. Recent Developments in Maximum Power Point Tracking Technologies for
Photovoltaic Systems. Int J Photoenergy. 2010;2010:1-11.
74. Wolf M, Rauschenbach H. Series resistance effects on solar cell measurements. Adv
Energy Convers. abril de 1963;3(2):455-79.
75. PIC18F4520 - 8-bit PIC® Microcontrollers [Internet]. [citado 17 de enero de 2014].
Recuperado a partir de: http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?
dDocName=en010297
76. The ZigBee Alliance [Internet]. [citado 21 de enero de 2014]. Recuperado a partir de:
http://www.zigbee.org/About/AboutAlliance/TheAlliance.aspx
77. Digi International. XBee®/XBee-PRO® ZB RF Modules [Internet]. 2012 [citado 4 de
octubre
de
2012].
Recuperado
a
partir
de:
http://ftp1.digi.com/support/documentation/90000976_M.pdf
90
78. Linear Regulator (LDO) - Single Channel LDO - LM317-N - TI.com [Internet]. [citado
17 de marzo de 2014]. Recuperado a partir de: http://www.ti.com/product/lm317-n
79. Charging Nickel-Metal-Hydride Batteries – Battery University [Internet]. [citado 18 de
marzo
de
2014].
Recuperado
a
partir
de:
http://batteryuniversity.com/learn/article/charging_nickel_metal_hydride
80. Universidad de Vigo. MEDIDAS, GRÁFICAS Y CÁLCULO DE ERRORES EN EL
LABORATORIO DE FÍSICA [Internet]. 2009 [citado 7 de octubre de 2014].
Recuperado a partir de: http://www.eueti.uvigo.es/
81. Design and Analysis of Experiments, 5th Edition by Douglas C. Montgomery: Wiley
9780471316497 Hardcover - ExtremelyReliable [Internet]. [citado 21 de marzo de
2014]. Recuperado a partir de: http://www.abebooks.com/Design-AnalysisExperiments-5th-Edition-Douglas/9011127330/bd
91