Actualmente una de las ciencias en obtención de energía de mayor crecimiento es la llamada recolección de energía para la tecnología portátil, que demuestra una tendencia reciente de versatilidad, integración, flexibilidad e intelectualización con el avance de la tecnología de Inteligencia Artificial (IA).
Esto ha hecho posibles aplicaciones ricas como monitoreo de la salud, interacción hombre-máquina (HMI) e Internet de las cosas (IOT).
La disponibilidad de energía es un desafío importante para los dispositivos portátiles, puesto que los equipos electrónicos normalmente funcionan con baterías recargables. Pero la rigidez de estas baterías restringe la flexibilidad total de los dispositivos eléctricos.
Las baterías tienen una vida útil corta, lo que limita sus aplicaciones. Por ello, los investigadores trabajan para eliminar total o parcialmente las baterías de los dispositivos electrónicos portátiles. La recolección de energía es el reemplazo ideal de las baterías en la tecnología portátil. Los avances únicos en la recolección de energía crean nuevas oportunidades de investigación.
Hay muchas fuentes de energía que se pueden utilizar para alimentar dispositivos portátiles, incluidas mecánicas, térmicas, químicas, solares, radiofrecuencia, eólicas, acústicas, vibraciones y térmicas.
La tecnología portátil requiere energía limpia, renovable y sostenible para ser práctica y respetuosa con el medio ambiente. Uno de los avances de esta tecnología es la energía obtenida que emana del cuerpo humano.
Energía humana
Los movimientos mecánicos de una persona como son caminar, correr y mover los dedos pueden generar una cantidad significativa de energía mecánica en nuestra vida diaria.
Y aunque es difícil acumular esta energía mecánica de manera eficiente, la recolección de energía portátil permite transformar la energía ambiental y cercana al cuerpo humano en energía eléctrica utilizable.
Los mecanismos de transducción permiten que la energía cambie de una forma a otra, es decir, de energía cinética a eléctrica. Los generadores piezoeléctricos y triboeléctricos son los dos métodos más utilizados para capturar la energía mecánica que produce el movimiento humano.
En comparación con otras acciones corporales, caminar genera la mayor potencia de todas ellas. En 1996 se hizo la sugerencia inicial de utilizar plantillas piezoeléctricas para zapatos a fin de obtener energía durante una caminata. Actualmente, con nuevos métodos y materiales como son las plantillas de titanato zirconato de plomo y el fluoruro de polivinilideno, un individuo de 68 kilogramos puede crear aproximadamente 67 Watts mientras camina a una velocidad aproximada de dos pasos por segundo.
El sudor es otra fuente que puede proporcionar energía emitida por un ser humano. Wei Gao, del Instituto de Tecnología de California, desarrolló una “piel electrónica” autoalimentada. E-skin es un dispositivo con sensores incorporados que se aplica directamente a la piel para leer y transmitir indicadores de salud como frecuencia cardiaca, temperatura corporal, azúcar en sangre y subproductos metabólicos.
“La atención sanitaria personalizada podría revolucionar la práctica médica tradicional”, afirma Gao.
Pero para incorporar muchos tipos diferentes de sensores se necesitan diferentes diseños de materiales y herramientas. Gao y su equipo desarrollaron un modelo de piel electrónica que utiliza la energía cinética del movimiento para generar triboelectricidad, la liberación de corriente del movimiento relativo de materiales con diferentes propiedades electrostáticas. Esta piel electrónica intercala finas láminas de teflón, cobre y poliimida que se deslizan a medida que la persona se mueve, generando una potencia máxima de 0.94 milivatios.
En tanto, un dispositivo portátil que se ha ido desarrollando en los últimos años permite que el cuerpo humano actúe como una batería al utilizar la energía del calor corporal. El dispositivo elástico de bajo costo fabricado por investigadores de la Universidad de Colorado Boulder se puede usar como un anillo o pulsera. Mediante el uso de generadores termoeléctricos, la temperatura interna del cuerpo se convierte en electricidad.
Jianliang Xiao, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería de dicha universidad, comenta que “en un futuro cercano se podrán alimentar los dispositivos electrónicos portátiles sin tener que incluir una batería”.
Y es que, agrega, “la energía térmica que desprende constantemente el cuerpo humano corresponde en promedio a la de una bombilla de 100 vatios. Cada día un adulto libera una media de tres kilovatios hora de energía, una cantidad que podría hacer funcionar un televisor LCD durante 30 horas”.
Tipos de circuitos de recolección de energía
Son sistemas que capturan pequeñas cantidades de energía que de otro modo se perderían, como luz, calor o movimiento, y las convierten en electricidad. Este tipo de sistemas son fundamentales en la tecnología de ahorro energético y en la reducción de la dependencia de las baterías tradicionales en varios dispositivos electrónicos. Hay diferentes colectores:
De energía solar Utilizan celdas fotovoltaicas para convertir la luz solar en electricidad. Esta es una forma común y eficaz de recolección de energía.
De energía térmica Aprovechan el calor ambiental y lo convierten en electricidad mediante el uso de un dispositivo termoeléctrico. Esta tecnología se utiliza a menudo en lugares donde hay una fuente de calor constante.
De energía cinética Estos dispositivos capturan la energía del movimiento, como la vibración o la rotación, y la convierten en energía eléctrica. Pueden ser utilizados en una variedad de aplicaciones, desde relojes de pulsera hasta sistemas de monitoreo de la salud.
Aplicaciones
Dispositivos portátiles Los dispositivos como relojes inteligentes, monitores de actividad y auriculares pueden utilizar la energía que genera el movimiento del usuario para complementar o reemplazar las baterías tradicionales.
Internet de las Cosas Los dispositivos de IoT a menudo operan en ubicaciones remotas donde el reemplazo de la batería es impracticable. Los circuitos de recolección de energía pueden alimentar estos dispositivos utilizando energía ambiental, lo que los hace esencialmente autónomos.
Edificios inteligentes Los sensores y los sistemas de control en edificios inteligentes pueden ser alimentados por recolectores de energía, lo que reduce la necesidad de cableado y aumenta la eficiencia energética.
Fuente: electricity-magnetism.org