Programación de tiras
Los tres nodos adoptan un diseño Prometheus. El nodo de entrada trío es similar al diseño de almacenamiento de un solo nivel del heliomote, donde los paneles solares están conectados directamente a la batería para una carga lenta. La aplicación de tres nodos en el seguimiento de múltiples objetivos tiene una carga elevada (ciclo de trabajo del 20-40%). Esto es consistente con nuestra conclusión en la Sección III-A4 de que para requisitos de carga elevada, se prefiere el almacenamiento a base de litio.
SHiMmer es un nodo integrado como Fleck1 [46], pero utiliza supercondensadores. Según la conclusión de [46], los convertidores CC-CC son particularmente útiles para la utilización eficiente de supercondensadores. De manera similar, SHiMmer utiliza un convertidor elevador para alimentar el microcontrolador a partir de supercondensadores. Cada nodo SHiMmer realiza cálculos DSP para detectar y localizar daños estructurales, por lo que el consumo de energía es mucho menor en comparación con la energía requerida para transmitir los valores detectados a la estación base. Esto reduce en gran medida los requisitos de energía, por lo que los nodos con poca luz no requieren baterías de NiMH o de litio de alta capacidad que proporcionen suficiente almacenamiento;
Flicker es una unión sintética similar a Fleck1 [46], pero utiliza supercondensadores. Según las conclusiones de [46], los convertidores DC-DC son particularmente útiles para el uso eficiente de supercondensadores y microcontroladores similares alimentados a partir de supercondensadores que utilizan convertidores elevadores. Cada nodo realiza sus propios cálculos DSP en condiciones de poca luz para detectar y localizar daños estructurales, por lo que el consumo de energía necesario para transmitir el valor de detección a la estación base es relativamente pequeño. Esto reduce en gran medida los requisitos de energía, por lo que los nodos flash no requieren baterías de níquel-hidruro metálico de gran capacidad o supercondensadores de iones de litio que proporcionan suficiente espacio de almacenamiento;
En resumen, la mayoría de las aplicaciones descritas utilizan baterías de litio y están dispuestas a sacrificar la complejidad del control de carga por una mayor eficiencia de carga y reprogramabilidad del software. Sin embargo, si las necesidades energéticas se satisfacen fácilmente, también se prefieren las baterías de NiMH. Aunque las baterías de níquel-hidruro metálico tienen una baja eficiencia de carga y descarga, pueden satisfacer fácilmente las necesidades energéticas de las ruedas hidráulicas. Los supercondensadores se utilizan no solo para optimizar el proceso de carga, sino también como fuentes de energía para nodos en aplicaciones de seguimiento de objetivos y monitoreo estructural. Ejemplos de aplicaciones de baja potencia que utilizan fuentes de energía basadas en supercondensadores demuestran su viabilidad.
En resumen, la gran mayoría de las aplicaciones describen el uso de baterías de litio y están dispuestas a compensar la complejidad del control de carga, la alta eficiencia de carga y la programabilidad del software. Pero las baterías de hidruro metálico de níquel pueden satisfacer fácilmente las necesidades energéticas si se utilizan como primera opción. Las necesidades energéticas del Hyrdrowatch se satisfacen fácilmente, aunque las baterías de hidruro metálico de níquel se cargan y descargan de manera menos eficiente. Los supercondensadores se utilizan no sólo para optimizar el proceso de carga sino también para aplicaciones de energía de nodos en el seguimiento de objetivos y el monitoreo estructural. Ejemplos de aplicaciones de supercondensadores de energía basadas en baja demanda demuestran su viabilidad.
B. Nodo de recolección de energía piezoeléctrica
Nodo de recolección de energía piezoeléctrica b
El nodo de recolección de energía piezoeléctrica utiliza fuerza mecánica para deformar el material piezoeléctrico, lo que genera un potencial. diferencia. Se han utilizado dos materiales piezoeléctricos para lograr la conversión de fuerza mecánica en energía eléctrica, (i) películas piezoeléctricas, como PVDF (fluoruro de polivinilideno) y (ii) cerámicas piezoeléctricas, como PZT (titanato de circonato de plomo). Las películas piezoeléctricas son flexibles y exhiben un efecto piezoeléctrico debido a largas cadenas de moléculas entrelazadas que se atraen y repelen entre sí. Las cerámicas piezoeléctricas, por el contrario, son rígidas y su estructura cristalina es responsable del efecto piezoeléctrico.
Los nodos de recolección de energía piezoeléctrica utilizan materiales piezoeléctricos que se deforman por fuerzas mecánicas para generar diferencias de potencial. Se han utilizado dos materiales piezoeléctricos para convertir la fuerza mecánica en energía eléctrica: (i) películas piezoeléctricas, como PVDF (fluoruro de polivinilideno) y (ii) cerámicas piezoeléctricas, como PZT (titanato de circonato de plomo). Las películas piezoeléctricas son flexibles y tienen un efecto piezoeléctrico en el que las moléculas de cadena larga se atraen y repelen entre sí. Las cerámicas piezoeléctricas, por el contrario, son rígidas y su estructura cristalina es responsable del efecto piezoeléctrico.
1) Colección de base piezoeléctrica: El PVDF es una película piezoeléctrica que genera un potencial eléctrico en ambos extremos cuando se deforma (estira o dobla).
Cuando se dobla la tira de PVDF, la placa de PVDF de la superficie exterior se estira y expande, mientras que la placa de PVDF de la superficie interior se comprime (como se muestra en la Figura 10(a)), generando un voltaje entre los terminales. De manera similar, cuando se comprime o libera un gemelo PZT para crear un voltaje en ambos extremos, se forman cargas en la superficie de la cinta PZT. La unim orfa PZT se muestra en la Figura 10 (b). Dos de estos unimorfos PZT a cada lado de la placa posterior de metal forman un bimorfo PZT. Normalmente, los unimorfos PZT tienen una estructura curva. Cuando se aplica presión, se empuja y se estira, creando un potencial eléctrico a través del efecto piezoeléctrico. PZT es una cerámica y no es tan flexible como PVDF. No puede soportar la tensión externa, por lo que se utiliza una placa posterior de metal rígido para evitar daños al PZT unimorph. Para poder recolectar energía, se pueden utilizar actividades como caminar, pisar y mover los dedos para deformar el PVDF o el PZT.
1) Cosecha basada en piezoeléctrico: El fluoruro de polivinilideno es una deformación (estiramiento o flexión) de una película piezoeléctrica en ambos extremos de la fuerza electromotriz. Cuando la pared de PVDF se dobla, la superficie exterior de la lámina de PVDF se tira hacia adentro y se expande, mientras que la superficie interior se ve obligada a contraerse (Figura 10(a)), generando así un voltaje entre los terminales. De manera similar, cuando se forman cargas en la superficie de una lámina de PZT, el bimorfo piezoeléctrico se comprime o se libera el voltaje a través de él. El monocristal piezoeléctrico PZT se muestra en la Figura 10 (b). Dos de estos unimorfos PZT forman cada lado de un bimorfo piezoeléctrico sobre una placa base de metal. Generalmente, los monocristales de PZT tienen una estructura curva. Cuando se aplica presión, se estira, creando una fuerza electromotriz a través del efecto piezoeléctrico. Las cerámicas piezoeléctricas son cerámicas, no flexibles como el PVDF. No puede soportar tensiones externas, por lo que se utiliza una placa posterior de metal rígido para evitar que se dañe el monocristal piezoeléctrico. Para permitir la energía y actividades como caminar, pisar y mover los dedos, se puede utilizar PVDF deformable o PZT.
2) Sistema de etiquetas RF accionado por zapato: un sistema de etiquetas RF accionado por zapato es un ejemplo de un sistema de recolección de energía basado en piezoeléctrico. Es un transmisor inalámbrico de etiqueta RFID activo autoalimentado que puede enviar un código de identificación de 12 dígitos a corta distancia cuando el titular camina. Los bimorfos de PZT se utilizan debajo de los talones para recolectar la energía del golpe del talón del portador [23], y se pueden insertar listones de PVDF en las suelas de los zapatos [22], [23], [24] para recolectar energía de los movimientos de caminar. Los experimentos muestran que PVDF produce 1 mJ por paso, mientras que PZT produce 2 mJ por paso. Los recolectores de energía d que utilizan PVDF (potencia máxima de 20 mW) o PZT (potencia máxima de 80 mW) se utilizan para codificar y transmitir señales RFID periódicas [23]. Estas balizas se pueden utilizar para rastrear a los usuarios de dispositivos móviles y difundir información sobre su ubicación. La Figura 11 muestra un par de calzado deportivo funcional y autónomo desarrollado por Paradiso et al.
2) Sistema de etiquetas RF accionado por zapato: El sistema de etiquetas RF accionado por zapato es un ejemplo de un sistema de recolección de energía piezoeléctrica. Se trata de un transmisor inalámbrico de etiquetas RFID activas y autoalimentadas que envía un código de identificación de 12 dígitos a distancias cortas. La energía de impacto del talón y la pared de PVDF del bimorfo piezoeléctrico en el talón del Reaper [23] se puede insertar en la suela [22], [23], [24] y recolectarse de la energía de la marcha. Los resultados experimentales muestran que cada paso de fluoruro de polivinilideno produce 1 MJ y cada paso de PZT produce 2 mJ. Puede borrar señales RFID que utilizan fluoruro de polivinilideno (potencia máxima de 20 mW) o PZT (potencia máxima de 80 mW) para los ciclos de codificación y transmisión [23]. Estas señales se pueden utilizar para rastrear información basada en la ubicación y propagarla a los usuarios de dispositivos móviles. La Figura 11 muestra un prototipo funcional de zapatillas de deporte autopropulsadas desarrolladas por Paradise et al.
3) Controlador de botones inalámbrico y autoalimentado: El controlador de botones autoalimentado descrito en [21] es capaz de transmitir de forma inalámbrica códigos digitales hasta una distancia de 50 pies con solo presionar un botón. El sistema se muestra en la Figura 12(a). No requiere baterías ya que genera energía a partir de la energía consumida por el botón p
3) Controlador de botón inalámbrico autoalimentado: El controlador de botón autoalimentado descrito en [21] puede convertir códigos digitales que se transmiten de forma inalámbrica hasta una distancia de 50 pies. La Figura 12(a) describe vívidamente este sistema. No necesita batería porque la energía que genera es la que consume el botón p.