Review: Radio-Frequency Based Energy Charging- An Experimental Study

 

Teoría (Conceptos relacionados y complementarios a la WPT y EH mencionados)

1. Wireless Power Transfer (WPT)

   • Definición: La transferencia inalámbrica de energía (WPT) permite transmitir energía a un dispositivo sin necesidad de cables, utilizando campos electromagnéticos para transferir energía desde un transmisor hasta un receptor (por ejemplo, antenas o rectificadores).

   • Tipos de WPT:

     • Inducción magnética: Usada en aplicaciones de corto alcance, como la carga inalámbrica de dispositivos móviles.

     • Resonancia magnética: Permite la transferencia de energía a mayores distancias mediante resonancia entre las bobinas.

     • RF (Radiofrecuencia): Utiliza ondas de radio para la transmisión de energía, como se describe en el texto.

2. Energy Harvesting (EH)

   • Definición: La cosecha de energía (EH) es el proceso de capturar pequeñas cantidades de energía del entorno para alimentar dispositivos de bajo consumo energético, como los sensores en las redes de sensores inalámbricos (WSNs).

   • Técnicas de EH:

     • Energía solar: Cosecha energía de la luz solar mediante paneles solares.

     • Energía térmica: Utiliza gradientes de temperatura para generar energía.

     • Energía cinética: Captura energía de los movimientos o vibraciones.

     • Energía de radiofrecuencia (RF): Extrae energía de las señales de radiofrecuencia presentes en el ambiente.

3. Problema que plantea:

   • Desafíos de las redes de sensores inalámbricos (WSNs): Estas redes enfrentan un problema importante de consumo energético. Los nodos de sensores, que operan con baterías, pueden agotarse rápidamente. Esto hace necesario el uso de técnicas de EH y WPT para mantener la funcionalidad de la red sin intervención humana frecuente para recargar baterías.

4. Aplicaciones:

   • Monitoreo remoto: WSNs son cruciales para el monitoreo de áreas de difícil acceso (por ejemplo, en zonas de desastres o ambientes remotos).

   • Internet de las Cosas (IoT): WPT y EH permiten que los dispositivos IoT operen sin necesidad de baterías, haciendo posible su implementación en diversas áreas como ciudades inteligentes, automóviles autónomos, y monitoreo de salud.

5. Dificultades/Limitaciones:

   • Eficiencia de la transferencia de energía: La eficiencia de WPT disminuye a medida que aumenta la distancia entre el transmisor y el receptor.

   • Costos de implementación: La construcción de sistemas de WPT y EH eficientes puede ser costosa, especialmente cuando se requieren soluciones de gran escala.

   • Dependencia de condiciones ambientales: Técnicas como la cosecha de energía solar o térmica dependen de factores ambientales que no siempre son previsibles o controlables.

6. Estructura del sistema:

   • Transmisor: Genera señales de RF (frecuencia de 915 MHz en el experimento).

   • Antena transmisora: Transmite la energía en forma de ondas electromagnéticas.

   • Rectenna: Es la combinación de una antena y un rectificador que convierte las ondas de RF en energía eléctrica de corriente continua.

   • Cargador y almacenamiento: El sistema de rectificación se conecta a un supercondensador o batería para almacenar la energía.

7. Funcionamiento del sistema:

   • El sistema comienza con la conversión de la corriente continua (DC) de la fuente de alimentación a corriente alterna (AC) mediante un oscilador. La señal se amplifica y se transmite a través de una antena. En el receptor, la señal se convierte nuevamente en corriente continua mediante un rectificador, que carga una batería o supercondensador.

8. Parámetros obtenidos:

   • Potencia recibida: Medida a través de la ecuación de Friis para determinar la potencia que se recibe a una distancia específica.

   • Tiempo de carga: Se mide el tiempo necesario para cargar el supercondensador o la batería, el cual depende de la distancia entre el transmisor y el receptor.

9. Software que usa:

   • Osciloscopio de software (Waveform Software): Utilizado para visualizar las señales de voltaje y medir los parámetros de energía como la potencia y el tiempo de carga.

   • Analizador de frecuencia (MS2720T): Para medir las frecuencias de radio y analizar la transmisión de RF.

10. Resultados:

    • Se observa que la eficiencia de la transferencia de energía mejora cuando el transmisor y receptor están alineados en una línea de visión directa.

    • A medida que aumenta la distancia entre los dispositivos, el tiempo de carga aumenta y la eficiencia de transferencia disminuye.

    • Los resultados experimentales muestran una relación lineal entre la distancia y el tiempo de carga, pero a distancias mayores, la carga de dispositivos de alta capacidad (como un supercondensador de 1F) se vuelve poco práctica.

11. Aporte:

    • La investigación proporciona una evaluación experimental del WPT mediante RF, comparando los resultados experimentales con los teóricos. Este estudio puede ayudar a la comunidad investigadora a estimar la viabilidad de la tecnología en aplicaciones de bajo consumo energético, como WSNs y dispositivos IoT, y guiar el desarrollo de futuras soluciones de carga inalámbrica eficientes.