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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. 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