PERISEIS 4.0


Una de las principales limitaciones dentro de los sistemas inalámbricos utilizados en el IoT (Internet of Things) y la industria 4.0 es la alimentación y/o la auto-alimentación de estos sistemas. Este problema se agrava aún más cuando se opera en entornos industriales severos, en los que prima la realización del mínimo mantenimiento posible de la sensórica y de los sistemas de monitorizado para no interferir en el proceso productivo. No obstante, lo que es una desventaja en cuanto a la accesibilidad a los equipos se refiere, se convierte en una ventaja a la hora de extraer energía de estos entornos industriales. ver más

Este proyecto aprovecha las vibraciones de la maquinaria, fundamentalmente motores, y la disipación de calor de dichas máquinas para recolectar energía (energy harvesting) que se emplea para alimentar los sistemas IoT. En función de las características de estos sistemas se puede aumentar la autonomía de los sistemas (recargando baterías), o bien proporcionar la suficiente energía para que el sistema sea completamente autónomo (sin necesidad de baterías).

Con la premisa de desarrollar un sistema de bajo coste y bajo consumo se ha estudiado la viabilidad de un sistema de Energy Harvesting a partir de las vibraciones en el escenario del proyecto. Dado que la intensidad y la frecuencia de vibración depende del tipo de máquina y de su régimen de trabajo, y sabiendo que el régimen de trabajo se degrada con el tiempo, la recolección de energía a partir de la vibración, aunque posible, ofrece unas menores prestaciones que el reaprovechamiento térmico. Por esta razón se ha enfocado el diseño del sistema de Energy Harvesting en el reaprovechamiento térmico mediante el empleo de células Peltier.

Entre los modelos de célula Peltier considerados, el transductor de mejores prestaciones ha sido el DT12-6 de Marlow Industries, con unas dimensiones aproximadas de 40 mm x 40 mm x 3 mm.

Se ha comprobado que la colocación de dos células en serie es ventajosa de cara a aumentar la potencia producida usando el interfaz BQ25570 de Texas Instruments que incorpora un sistema de tracking del punto de máxima potencia (MPPT) que optimiza el funcionamiento del harvester en función de la tensión generada por el/los transductor/es de entrada.

Se ha comprobado también que el tamaño del disipador utilizado sobre la cara fría de las células tiene una influencia muy significativa en la potencia eléctrica generada. La máxima potencia que se ha obtenido durante las pruebas, aplicando un gradiente de 10 ºC entre las caras de las células, ha sido del orden de 0.4 mW, que es aproximadamente un 25% de la potencia media estimada consumida por el nodo IoT en su estado actual. El sistema más ventajoso que se ha probado está formado por 2 células DT12-6 colocadas en serie, con un disipador grande y usando como interfaz el chip BQ25570.

Se ha diseñado un sistema de harvesting termoeléctrico apoyado por una batería recargable, haciendo uso de las funcionalidades del chip BQ25570 tanto para la recolección de energía como para la gestión de la batería. La unidad de control del sistema está basada en el microcontrolador PIC16(L)F1619, que estará interconectado al BQ25570.

La concepción modular del nodo IoT, con un módulo de harvesting aislado del resto ha exigido la implementación de una unidad de control exclusiva para la gestión de energía. Aunque esto supone un coste computacional y un consumo energético adicionales, ambos son mínimos y permiten garantizar la modularidad y el bajo coste requeridos. Queda pendiente la evaluación del rendimiento de arrays de más de 2 células, y la mejorar en la eficacia de la disipación térmica en las caras frías de las células. Además, queda pendiente mejorar el rendimiento del harvesting piezoeléctrico mediante interfaces más adecuados, la adaptación de la impedancia de carga del transductor, y el empleo de técnicas de mejora del ancho de banda de operación.
En paralelo a lo anterior se ha duplicado el número de canales de medida del nodo IoT, y con ello su capacidad de adquisición de datos, y se ha optimizado su funcionamiento.

  • Año: 2018
  • Sector estratégico: #AutomociónyMecatrónica
  • Líder del proyecto: Universidad Pública de Navarra, Instituto de Smart Cities (ISC-UPNA)
  • Socios del proyecto: Asociación de la Industria Navarra (AIN)