Revision: RF-based Power Transmission for Wireless Sensors Nodes

 

Campo cercano y campo lejano

teoria

La transmisión de energía inalámbrica se realiza mediante adaptación de impedancia, rectificador, gestión de energía y dispositivos de almacenamiento de energía.

. La elección de un dispositivo de almacenamiento de energia 

 ía depende de diversos factores, entre ellos los requisitos de potencia máxima, el ciclo de vida, la capacidad de almacenamiento de energía, el coste y el factor de forma. Dos opciones prácticas disponibles son las baterías y los condensadores electroquímicos de doble capa (supercondensadores). Las baterías son una tecnología relativamente madura y tienen una mayor densidad energética que los supercondensadores (p. ej., batería: de 8,0 a 600 Wh/kg, supercondensador: de uno a 5,0 Wh/kg). Sin embargo, persisten los problemas de una retención de capacidad limitada, los altos costes laborales asociados al reemplazo de las baterías y los problemas ecológicos relacionados con su eliminación [2]. Los supercondensadores tienen una mayor densidad de potencia que las baterías (p. ej., supercondensador: de 10,0 a 100,0 kW/kg, batería: de 0,005 a 0,4 kW/kg) y se han utilizado tradicionalmente para gestionar subidas de tensión de corta duración. Aunque sufren de fugas severas, los supercondensadores son más robustos que las baterías en términos de profundidad de descarga, que tienden a perder capacidad cuando se exponen a temperaturas exterior

Funcionamiento: Sistema de transmisión inalámbrica de energía y datos utilizando señales de radiofrecuencia (RF) para alimentar sensores de deformación (strain gauges) y transmitir datos de vuelta a una estación base. Los sensores inalámbricos están alimentados por energía recolectada a través de antenas receptoras (dipolo y parche) y convertida en energía de corriente continua (DC) mediante un circuito rectificador.

Estructura: El sistema incluye un transmisor que emite señales RF (915 MHz) y un receptor con antenas dipolo o parche que capturan la señal RF. Los sensores se alimentan mediante un supercondensador cargado por esta energía.

Respaldo energético: La energía es almacenada en un supercondensador, lo que permite un respaldo energético eficiente y rápido frente a fluctuaciones de energía.

Tipo de Antena para TX/RX: Para la transmisión (TX), se utiliza una antena de 8 dBi a 915 MHz con 3 W de potencia radiada isotrópica efectiva (EIRP). Para la recepción (RX), se utilizan antenas dipolo de 1 dBi y antenas parche de 6.1 dBi.

Frecuencia: El sistema utiliza una frecuencia central de 915 MHz para la transmisión de energía y 2.4 GHz para la transmisión de datos.

Aplicación: Monitoreo de salud estructural (SHM) para aeronaves, utilizando sensores de deformación inalámbricos en estructuras como alas o motores de aviones.

Eficiencia de Conversión DC-RF / RF-DC: La eficiencia de conversión RF-DC varía entre 44.6% y 55.4% dependiendo de la antena y la distancia, con la antena dipolo mostrando una conversión ligeramente mejor en distancias cercanas.

Eficiencia Recolección de Energía: La eficiencia de recolección de energía también depende de la antena utilizada, con la antena dipolo teniendo una eficiencia ligeramente superior en distancias más cercanas (hasta 2.5 m).

Otros Parámetros: El sistema emplea un circuito de gestión de energía controlado por microcontrolador para gestionar la carga del supercondensador y la transmisión de datos. El tiempo de carga de los supercondensadores es de aproximadamente 4 minutos con la antena dipolo a 2 m de distancia.

Software Usado: No se especifica software en los detalles del sistema, pero se menciona el uso de un desarrollo comercial de Powercast para la evaluación y simulación.

Almacenamiento de Energía: Se utiliza un supercondensador de 0.05 F para almacenar la energía recolectada.

Distancia: Los experimentos demostraron que los sensores pueden operar eficazmente a distancias de hasta 50 metros de la estación base.

Estrategia: La estrategia empleada es utilizar la transmisión de energía RF para cargar sensores inalámbricos en ubicaciones donde no hay suficiente energía para alimentarlos con baterías tradicionales.

Aporte (Según la propuesta del PDF): El estudio demuestra la viabilidad de utilizar RF para alimentar sensores en entornos donde no hay suficiente vibración o gradientes térmicos, lo que proporciona una solución energética eficiente para el monitoreo estructural en aeronaves. Además, la elección de antenas y la gestión eficiente de la energía hacen que el sistema sea viable para aplicaciones de monitoreo continuo.