Recolección de energía en la red inteligente

La red inteligente poco a poco se está convirtiendo en realidad ya que más redes se están desplegando por todo Europa. La Unión Europea tiene como objetivo reemplazar por lo menos el 80 % de los medidores de electricidad con medidores inteligentes para el 2020 con el fin de reducir las emisiones en casi un 10 % y el consumo anual de energía de los hogares en cantidades similares.

Cerca de 200 millones de medidores de electricidad inteligentes y 45 millones de medidores de gas se pondrán en servicio en todo Europa para el año 2020 por lo que más del 70 % de todos los consumidores los utilizará. Con el costo promedio de la instalación de un medidor inteligente que varía entre 200 € y 250 €, esto es una inversión de 45 mil millones €, pero esto es solo la mitad de la historia. El gasto de capital (capex) es alto pero también lo es el gasto operativo (opex) para asegurarse de que la red inteligente proporciona todos los datos vitales.

Parte de lo que nos impulsó a desarrollar la red inteligente es crear un uso más eficiente de los recursos renovables, como energía solar y eólica. Debido a que muchos centros eólicos y plantas de energía solar se instalan en toda Europa, hay una mayor necesidad de contar con datos más precisos sobre el uso de la energía en hogares, oficinas y fábricas con la finalidad de lograr el mejor uso de estos recursos renovables. Esta es una red creciente de medidores inteligentes que controlan la energía en un hogar y también establece redes de sensores inalámbricos que pueden ofrece datos más detallados sobre el uso de la energía. Esto también está impulsando el despliegue de dispositivos de puerta de enlace, a menudo en las subestaciones locales, las cuales recopilan los datos y los envían a los proveedores de electricidad en tiempo real, generalmente utilizando las propias líneas eléctricas con los controladores de la línea eléctrica.

Todo esto también representa una oportunidad para la recolección de energía dentro de los sistemas electrónicos en la red. Uno de los costos clave de una red de la red inteligente es el mantenimiento y el reemplazo de las baterías a través de los medidores y sensores de la red. El uso de la tecnología de recolección de energía tanto en el medidor del hogar como en las subestaciones más industriales puede reducir radicalmente los costos corrientes de funcionamiento de la red inteligente.

Este puede hacer uso de varias diferentes tecnologías de recolección de energía a partir de celdas solares para alimentar las redes de sensores inalámbricos a los generadores térmicos que convierten una diferencia de temperatura en energía eléctrica para una subestación.

La energía solar se puede utilizar de diversas maneras, desde pequeñas celdas de sensores individuales a una matriz más grande que alimente una puerta de enlace para la recopilación de datos de toda la red.

La matriz del panel solar de Parallax puede producir hasta un máximo de 34 vatios de energía eléctrica a partir de una instalación en el techo para alimentar el equipo de red. Es lo suficientemente resistente como para la producción de energía permanente (incluidas las instalaciones en el techo) y se puede utilizar en muchas aplicaciones portátiles también. Se utilizan doce celdas solares monocristalinas de 125 mm (~5") y 2.85 vatios, con una eficiencia aproximadamente del 18.5 % instalado sobre una base de policarbonato estabilizado contra rayos UV con paneles de cubierta para proporcionar mayor durabilidad al aire libre. Una base de panel a medida acordonado simplifica el montaje y protege las celdas solares y, mientras que la potencia de salida máxima sea de 6.3 V_CC a 5.4 A, es posible conectar en cadena múltiples unidades para proporcionar un mayor voltaje, corriente o potencia, en función de las necesidades de la puerta de enlace de la red de sensores.  

Figura 1: La matriz del panel solar de Parallax puede proporcionar 34 W de energía.

Para convertir la energía de la puerta de enlace de la red se puede utilizar un equipo de desarrollo de recolección de energía solar como la eZ430-RF2500-SEH de Texas Instruments. El sistema gestiona y almacena energía adicional en un par de baterías recargables de película delgada que pueden suministrar suficiente energía para más de 400 transmisiones, incluso en la oscuridad. Estos actúan como búferes de energía que almacenan la energía mientras la aplicación está apagada y tiene luz disponible para la recolección. Las baterías tienen una autodescarga muy baja, lo que permite adaptarse a un sistema de recolección de energía. La tarjeta es una herramienta de desarrollo completa e inalámbrica basada en USB MSP430 y proporciona todo el hardware y software necesarios para utilizar el microcontrolador MSP430F2274 y el transceptor inalámbrico C C2500 de 2.4 GHz. Incluye una interfaz de depuración USB en tiempo real, la depuración y programación en el sistema para un microcontrolador MSP430 de 16 MHz de baja potencia y también es la interfaz para transferir datos a una computadora desde el sistema inalámbrico. Los indicadores de intensidad de señal RF y temperatura integrado se pueden utilizar para monitorear el ambiente; además, también se pueden usar varios sensores externos para recoger datos adicionales.

Figura 2: La tarjeta de desarrollo de recolección de energía Texas Instruments eZ430 puede soportar las celdas solares o los generadores termoeléctricos en la red inteligente.

La placa también vincula fácilmente la recolección de energía de calor térmico WPG-1 a través de un conector de 6 pines de Laird Technologies. El WPG-1 es un generador de energía termoeléctrica de película delgada autónomo que puede ser utilizado para redes de sensores inalámbricos, así como puertas de enlace en la subestación. Puede proporcionar hasta 1.5 mW de salida utilizable de energía y puede manejar una amplia gama de resistencias de carga.

El generador utiliza un convertidor elevador de voltaje ultra-bajo para proporcionar potencia de salida utilizables en temperatura diferenciales por debajo de 20° K, lo que es adecuado para aprovechar la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior de un edificio. Se puede regular la potencia de salida para aceptar los tres puntos de ajuste de voltaje: 3.3 V, 4.1 V o 5.0 V y la tarjeta de circuito integrado incluye interruptores de paquete en línea dual (DIP) para ajustar el voltaje de salida. Se pueden realizar las conexiones eléctricas usando el conector de 2 o 6 pines integrado que funciona con la tarjeta de desarrollo eZ430.

Figura 3: El WPG-1 de Laird Technologies genera energía a partir de una diferencia de temperatura tan pequeña como 20° K.

Otra forma es construir un sistema de gestión de energía especializado que pueda manejar una variedad de fuentes de recolección de energía. El bq25570 de Texas Instruments está diseñado específicamente para la operación eficiente de la gama de microvatios y milivatios que viene con fuentes de CC de impedancia de salida alta, como las celdas solares o generadores termoeléctricos (TEG por sus siglas en inglés), sin poner demasiada tensión en esas fuentes. La gestión de la batería en el dispositivo asegura que una batería recargable no esté sobrecargada por esta energía extraída, con el aumento o agotamiento del voltaje más allá de los límites de seguridad de la carga del sistema. Además de aumentar la carga eficientemente, el bq25570 integra un convertidor reductor de nanopotencia altamente eficiente para proporcionar una segunda barra de alimentación a los sistemas tales como redes de sensores inalámbricos (WSN) que necesitan una fuente de voltaje constante.

El bq25570 también implementa una red de muestreo del sistema de seguimiento del punto de máxima potencia programable (MPPT) para optimizar la transferencia de poder en el dispositivo. La fracción del voltaje de circuito abierto que se muestra y es retenida puede ser controlada al tirar de un pin alto o bajo (80 % o 50 %, respectivamente) o mediante el uso de resistencias externas. Esta tensión que se muestra se mantiene a través de los circuitos de muestreo interno y se retiene con un condensador externo.  Por ejemplo, las celdas solares funcionan normalmente con un punto de máxima potencia (MPP) de 80 % de su voltaje de circuito abierto, por lo que fijar el umbral MPPT a 80 % permite que el dispositivo regule el voltaje en la celda solar con la finalidad de asegurar que el voltaje VIN_CC no caiga por debajo de un voltaje fijado. Un voltaje de referencia externo también puede utilizarse para permitir a un microcontrolador externo implementar un algoritmo MPPT más complejo.

Figura 4: El bq25570 de Texas Instruments se puede utilizar para construir un controlador de gestión de potencia optimizado que soporta algoritmos de seguimiento del punto de máxima potencia para una eficiente adaptación de la energía.

El bq25570 está diseñado con la flexibilidad necesaria para soportar una variedad de elementos de almacenamiento de energía, como la energía que se recolecta que puede ser a menudo esporádica o variable en el tiempo. Los sistemas necesitarán normalmente algún tipo de elemento de almacenamiento de energía, tal como una batería o supercondensador recargable que pueda proporcionar energía constante y estable para el sistema y también manejar cualquier corrientes máximas Para evitar daños en el elemento de almacenamiento, los voltajes tanto máximos como mínimos son monitoreados frente al voltaje mínimo establecido internamente y los niveles de voltaje máximo programables por el usuario, y pueden marcar una situación en la que el voltaje en una batería de almacenamiento de energía o un condensador cae por debajo de un nivel crítico preestablecido. Esto debería provocar la reducción de las corrientes de carga para evitar que el sistema entre en un estado de voltaje mínimo.

Todo esto está embalado en un paquete QFN (RGR) de espacio pequeño de plomo-20 de 3.5 mm x 3.5 mm, de modo que el elemento de gestión de energía puede ser fácilmente instalado junto a la fuente de captación de energía.

Conclusión

El uso de las fuentes de recolección de energía para alimentar los diferentes elementos de la red inteligente puede proporcionar ventajas considerables para los proveedores de sistemas y las compañías eléctricas. Reducir radicalmente la necesidad de reemplazar las baterías en las redes de sensores inalámbricos, o incluso eliminar todo junto, puede ahorrar costos de operación significativos. La recolección de energía procedente de grandes matrices de celdas solares o generadores termoeléctricos junto con los dispositivos de gestión de energía adecuado y almacenamiento de energía puede proporcionar energía sin necesidad de mantenimiento, tanto para las redes que recopilan los datos esenciales para la red inteligente como para las entradas de enlace que recopilan y entregan los datos a los operadores.