Un nodo sensor submarino recargable inalámbricamente por ondas ultrasónicas restaura 1W de potencia a 1 metro en 5 minutos, usando una viga compuesta piezoeléctrica de y una placa Teensy 3.6 para la comunicación, su estructura montada en PCB incluye el amplificador operacional AD826, El mesclador AD633 y preamplificador AD8338. Se diseño para transportar energía a un módem submarino remoto, lo que permite una plataforma sin batería y alimentada de forma inalámbrica para IoUT. El uso de supercondensadores, sustituye a las baterías tradicionales o recargables.
Aportaciones al diseño de sistemas WPT
Este sistema aporta una solución innovadora para la recarga remota de nodos submarinos mediante ultrasonidos, eliminando la dependencia de baterías y ampliando la distancia de operación con menor pérdida de energía. Utiliza un solo transductor para la comunicación y carga, optimizando espacio, peso y costos.
Estructura del sistema
El sistema consta de un transductor ultrasónico, supercapacitores para almacenamiento de energía, una placa Teensy para la gestión del nodo, y un USRP para la transmisión y recepción de señales. Estos componentes se integran para realizar la transferencia de energía y comunicación simultáneamente.
Funcionamiento (Fases)
- Captación de energía ultrasónica: El transductor convierte las ondas ultrasónicas en energía eléctrica.
- Almacenamiento: La energía se almacena en supercapacitores en lugar de baterías.
- Transmisión de datos: Simultáneamente, el mismo transductor se emplea para la comunicación entre nodos.
- Gestión de energía: La placa Teensy controla el proceso de recarga y comunicación.
Hardware clave
Los componentes clave incluyen el transductor ultrasónico, los supercapacitores, la placa Teensy y el USRP, todos trabajando en conjunto para asegurar una comunicación eficiente y transferencia de energía.
Parámetros logrados
El sistema logra restaurar 1 W de potencia en 5 minutos a una distancia de 1 metro, con una eficiencia destacada frente a alternativas de acoplamiento electromagnético.
Información relevante de diseño
Es crucial seleccionar un transductor que equilibre eficiencia y tamaño, además de optimizar la red de adaptación para maximizar la transferencia de energía. La configuración de los supercapacitores y su relación con el nodo también son esenciales.
Metodología
El sistema fue evaluado experimentalmente, comparando la eficiencia de la transferencia de energía ultrasónica con otras tecnologías (como el acoplamiento electromagnético), realizando mediciones a distintas distancias y potencias.
Resultados condensados
El prototipo demostró una transferencia eficiente de energía y comunicación a través de ultrasonidos, logrando una restauración de energía rápida en distancias mayores a las cubiertas por tecnologías tradicionales. La plataforma sin batería es viable y aplicable para el IoUT, con mejoras en costos y mantenimiento.
Conceptos teóricos explicados
Entre los conceptos clave se explican la transferencia de energía inalámbrica (WPT), la propagación de ondas ultrasónicas, la atenuación en medios acuosos, y la eficiencia de conversión de energía en supercapacitores.
Aplicaciones mencionadas
El sistema WPT está destinado principalmente para el Internet de las Cosas Submarinas (IoUT), con aplicaciones en vigilancia militar, monitoreo de sistemas en la industria del petróleo y gas, y control ambiental y explotación comercial del entorno acuático.
La Internet de los objetos submarinos (IoUT) y su alimentacion con baterias.
presenta el diseño del primer nodo sensor submarino sin batería que puede recargarse de forma inalámbrica mediante ondas ultrasónicas
se presenta la arquitectura de una plataforma submarina capaz de extraer energía eléctrica a partir de ondas ultrasónicas
ilustramos cómo conectar este sistema con una unidad de comunicación digital submarina.
diseño de un prototipo donde la unidad de almacenamiento se realiza con un lote de supercondensadores
la energía recolectada es suficiente para proporcionar al nodo sensor la energía necesaria para realizar una operación de detección y alimentar un módem para comunicaciones ultrasónicas.
La Sección 2 proporciona material de referencia y una descripción general de las técnicas de alimentación en redes submarinas.
Otros ejemplos de WPT
En la Sección 3 se presenta la arquitectura del sistema propuesta y su principio de funcionamiento.
En la Sección 4 describimos los principios físicos subyacentes de la atenuación de ondas y campos en los casos de ondas electromagnéticas (EM), inducción magnética (IM) y ultrasonido (US) en agua dulce y de mar.
En la Sección 5 describimos el diseño y las métricas de evaluación de nuestro sistema TIP habilitado con capacidades de comunicación ultrasónica.
El prototipo del sistema y los resultados experimentales se ilustran en la Sección 6 y la Sección 7, respectivamente
Conclusiones Seccion 8
Materiales usados
PCB implementando un nodo SEANet GLos materiales piezoeléctricos se utilizan para extraer energía de fuentes de energía cinética. Este tipo de cosechadoras submarinas pueden alcanzar potencias que van desde el orden de milivatios hasta unos pocos vatios
Usos
aplicaciones militares, científicas y comerciales en el mar.
(i) vigilancia táctica/costera; (ii) sistemas de control y seguimiento de la industria del petróleo y el gas; (iii) monitoreo del cambio climático, control y seguimiento de la contaminación; y (iv) explotación comercial del medio acuático,
aplicaciones UWSN,
Aporte
Funcionamiento
El modelo arquitectónico de una plataforma submarina capaz de extraer energía eléctrica de ondas ultrasónicas y utilizarla para alimentar un sistema de comunicación ultrasónico.
Las turbinas y los rotores se utilizan principalmente para convertir la energía hidráulica (la energía del agua que cae o se mueve) en electricidad.
Estructura
0. Ilustración esquemática del banco de pruebas utilizado para demostrar la TIP ultrasónica en agua y la alimentación del nodo SEANet G
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