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El consumo de energía es uno de los grandes medidores del progreso y bienestar de una sociedad. El concepto de "crisis energética" aparece cuando las fuentes de energía de las que se abastece la sociedad se agotan. Un modelo económico como el actual, cuyo funcionamiento depende de un continuo crecimiento, exige también una demanda igualmente creciente de energía. Puesto que las fuentes de energía fósil son limitadas, y en plena discusión sobre el retroceso de la presencia de la energía nuclear, es inevitable que en un determinado momento la demanda no pueda ser abastecida y todo el sistema colapse, salvo que se descubran y desarrollen otros nuevos métodos para obtener energía, éstas son conocidas como energías alternativas.

Por todos son conocidos las energías eólica, solar, hidráulica, mareomotriz, geotérmica, biomasa, etcétera; estas formas de energías alternativas ayudan a evitar el uso de combustibles fósiles, disminuyendo así la cantidad de gases que colaboran con el efecto invernadero al producir CO2 en su combustión.

El inconveniente de éstas, es que son muy costosas debido entre otros a que necesitan infraestructuras muy grandes, y la energía que se obtiene es útil para alimentar dispositivos grandes, e incluso pequeños núcleos urbanos. Sin embargo, el Energy Harvesting es un método de recogida de energía, presente en el ambiente en menor cantidad, para transformarla en energía eléctrica, almacenarla, y alimentar dispositivos portátiles o redes de sensores.

Existen diferentes tipos de Energy Harvesting, dependiendo de la situación en la que nos encontremos, del entorno ó de las necesidades de la aplicación. Además, cada tipo de Harvesting genera diferentes cantidades de energía, por lo que se pueden diferenciar distintos tipos:

- Radiación ambiental. Consiste en cosechar la energía proveniente de los transmisores de ondas de radio que encontramos allí donde miramos. Antiguamente, era necesario estar muy próximo a un dispositivo inalámbrico radiante, o utilizar una gran superficie para poder obtener cantidades de potencia útiles. Las nantennas (nanoantenna) es una proposición, que sobrepasaría esta limitación haciendo uso de la abundante radiación natural, como la solar. Las nantennas son antenas cuyo tamaño es proporcional a la longitud de onda de la energía fotónica que el sol emite.

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Modelado de materiales piezoeléctricos para aplicaciones de autoalimentación en entornos viales Están diseñadas para absorber longitudes de onda entra 0,4 y 1,4µm ya que en estas longitudes de onda hay mayor energía que en los infrarrojos y son el 85% de las emisiones solares.

Otra posibilidad, es emitir deliberadamente energía de radiofrecuencia de banda ancha para alimentar dispositivos remotos. Nikola Tesla, hace más de cien años ya intentó transmitir energía de baja frecuencia a larga distancia. Esto es algo muy común en sistemas pasivos de identificación con radio frecuencia (RFID), pero la seguridad y la Comisión Federal de Comunicaciones de los Estados Unidos (y otras organizaciones equivalentes en todo el mundo) limitan la máxima potencia que puede ser emitida de esta forma.

- Energía Biomecánica: El cuerpo humano es una gran fuente de energía. Una persona de tamaño medio tiene almacenada en su grasa tanta energía como una pila de 1000Kg. Esta energía química se convierte en trabajo mediante la acción de nuestros músculos, con una eficiencia máxima del 25%. Muchos generadores hacen uso de ésta capacidad mediante la acción de manivelas que accionan una dinamo, por ejemplo; pero éste requiere una atención constante que nos distrae de nuestras tareas cotidianas. La meta es conseguir recolectar esta energía de las acciones que realizamos diariamente sin necesidad de que nosotros prestemos atención.

Un modelo actual, es el cosechador de Max Donelan2, que se ata en torno a la rodilla. Se han centrado en la rodilla porque es la parte del cuerpo que más trabajo negativo realiza. El cosechador comprime un soporte para la rodilla configurado de tal forma que mueve un tren de engranajes, transmitiendo el movimiento a un motor DC sin escobillas que actúa como generador. Además, se incluye un embrague que permite que solo se recolecte energía en una dirección, lo que se ha demostrado que tiene mayor eficiencia. Mediante un potenciómetro se regula el ángulo de la rodilla para desconectar el sistema en determinados momentos y ayudando a la frenada.

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Figura 1: Modelo cosechador de Max Donelan

- Piezoelectricidad: El efecto piezoeléctrico, consiste en la conversión de energía mecánica en corriente o tensión mediante cristales piezoeléctricos. Esta deformación puede venir de muchas fuentes diferentes como el movimiento humano, vibraciones sísmicas de baja frecuencia ó el ruido acústico entre otros. Excepto en casos extraños, el efecto piezoeléctrico opera con corriente alterna, precisando para ser eficiente entradas mecánicas resonantes que varíen con el tiempo.

La mayoría de las fuentes piezoeléctricas producen energía del orden de los milivatios, demasiado poca para aplicaciones de sistema, pero suficiente para dispositivos de mano, como por ejemplo algunos relojes de pulsera que se auto abastecen con el propio movimiento de quien lo porta.

Se está sugiriendo, que podrían ser usados para dispositivos a pequeña escala, como por ejemplo cosechando energía micro-hidráulica. Un flujo de agua a presión mueve un pistón, que está rodeado por 3 piezoeléctricos, los cuales convierten las fluctuaciones de la presión de agua en corriente alterna.

- Energía piroeléctrica: El efecto piroeléctrico, convierte los cambios de temperatura en corriente eléctrica o tensión. Es análogo al efecto piezoeléctrico o al comportamiento ferroeléctrico. Como la piezoelectricidad, la piroelectricidad requiere entradas variables en el tiempo y tiene pequeña potencia a la salida para aplicaciones de Energy Harvesting. Una ventaja clave de la piroelectrónica frente a la termoelectrónica, es que muchos materiales piro eléctricos son estables hasta

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Modelado de materiales piezoeléctricos para aplicaciones de autoalimentación en entornos viales 1200ºC o más, permitiendo el cosechado de energía de fuentes de alta temperatura y, por tanto, aumentando la eficiencia termodinámica.

- Energía Termoeléctrica: En 1821, Thomas Johann Seebeck descubrió que un gradiente térmico formado entre dos superficies conductoras distintas produce una diferencia de potencial. El corazón del efecto termoeléctrico se basa en el hecho de que un gradiente de temperatura en un material conductor resulta en un flujo de calor; de esto se deduce que los portadores de carga de redistribuyan. El flujo de portadores de carga entra las regiones frías y calientes crea la diferencia de potencial. Este tipo de uniones se denominan termopares.

En 1834, Jean Charles Athanase Peltier descubrió que una corriente eléctrica a través de la unión de dos conductores diferentes puede, dependiendo de la dirección de la corriente, causar que actúe como calentador o refrigerador. El calor absorbido o producido es proporcional a la corriente, y la constante de proporcionalidad es conocida como coeficiente de Peltier. Hoy en día, debido al conocimiento de los efectos de Seebeck y Peltier, que relacionan temperatura, tensión y corriente, los materiales termoeléctricos pueden ser usados como calentadores, refrigeradores y generadores. (TEGs).

Los materiales termoeléctricos ideales tienen un coeficiente de Seebeck muy alto, alta conductividad eléctrica y baja conductividad térmica. La baja conductividad térmica es necesaria para mantener un alto gradiente térmico en la unión. Los módulos termoeléctricos más comunes consisten en semiconductores P y N de bismuto-teluro, rodeados por dos placas cerámicas metalizadas. Las placas cerámicas añaden rigidez y aislamiento eléctrico al sistema. Los semiconductores se conectan eléctricamente en serie y termalmente en paralelo.

Se han desarrollado termopares en miniatura, que convierten calor corporal en electricidad y generan 40µW con un gradiente de temperatura de 5oC, mientras que por otra parte, existen termopares grandes usados en baterías nucleares RTG (Radioisotope Thermoelectric Generator).

La gran ventaja de esta tecnología es que no existen partes móviles, lo cual permite una operación continua durante muchos años. Tellurex Corporation, una empresa de

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producción de termoelectrónica, afirma que esta tecnología es capaz de funcionar durante 100.000 horas de operación continua. Además, no contiene materiales que necesiten ser recargados; y el calor y el frío son reversibles. Una desventaja de la conversión de energía termoeléctrica es la baja eficiencia (menos del 10%). El desarrollo de materiales que sean capaces de operar en gradientes mayores, y que puedan conducir bien la corriente sin conducir el calor (algo que hasta hace poco se tornaba imposible), resultará en un incremento de la eficiencia. En el futuro, se podrá usar el calor desperdiciado, como el motor de un coche, en electricidad.

- Energía electrostática: Este tipo de cosechado se basa en la capacidad variable de varactores (condensadores variables) dependientes de la vibración. Las vibraciones separan las placas de un varactor inicialmente cargado, y la energía mecánica se convierte en energía eléctrica.

Un ejemplo de cosechador de energía electrostática son las Power Kinetic Battery de la empresa M2E (Motion 2 Energy). Se trata de baterías que se recargan al ser agitadas y ya están en el mercado modelos para telefonía móvil. Basan su funcionamiento en la ley de Faraday, ya que contienen un imán que al agitarse genera una fuerza electromotriz en una bobina. Por el momento no podemos depender únicamente de este tipo de carga, pero se espera que sean capaces de aportarnos entre media y una hora extra de conversación.

Otro ejemplo es el Dispositivo Integrado Flexible de Energía (FIED) del CSIRO, que consiste en un “chaleco” en el cual el usuario podrá conectar los aparatos que desee recargar o alimentar; aunque por el momento se está diseñando para aplicaciones militares, es probable que en el futuro los civiles también dispongamos de esta tecnología. Mientras la persona se mueve, el chaleco almacena las vibraciones en las baterías conectadas, o directamente alimenta los aparatos que tenga conectados.

- Células de biocombustible: otra forma de cosechar energía es mediante la oxidación de la glucosa en sangre ó incluso el oxígeno atmosférico. Estos cosechadores se denominan células de biocombustible (biofuel cells) y son capaces de convertir biomasa en electricidad. La biomasa es un material altamente renovable frente al litio, el níquel o el mercurio de las actuales baterías, los cuales son materiales contaminantes, muy poco renovables y pesados.

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Modelado de materiales piezoeléctricos para aplicaciones de autoalimentación en entornos viales Actualmente, la mayor parte de la investigación se lleva a cabo mediante la financiación por parte del ejército de los Estados Unidos a la empresa CFDRC. Sacando partido de las excepcionales propiedades de los nanotubos de carbono, se consigue una transferencia directa de los electrones liberados en las reacciones redox, las cuales se producen en la catálisis de la biomasa, hasta unos electrodos donde se fijan.

Se pueden usar para alimentar dispositivos implantados, como por ejemplo marcapasos, biosensores para diabéticos, dispositivos RFID implantados, etc.

- Metabolismo arbóreo: la empresa Voltree ha desarrollado un método para cosechar energía de los árboles. Estos cosechadores de energía se están usando para alimentar sensores remotos y redes, como base para un despliegue a largo plazo de un sistema de monitorización de incendios forestales y estudio climatológico. Su página web dice que la vida útil de estos dispositivos estaría limitada únicamente por la vida del árbol al cual está colocado. Recientemente, se ha desplegado una pequeña red de prueba en un parque forestal de Estados Unidos.

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- Métodos futuros:

- Cosechado de energía mediante polímeros electro activos (EAPs, Electro Active Polymers): Estos polímeros tienen una gran densidad de energía elástica y de deformación (pueden estirarse hasta un 700%), además de una gran eficiencia en conversión de energía. Hasta el momento, este tipo de materiales se empleaban para simular músculo ya que en presencia de una diferencia de potencial se estiran o encogen. Pero recientemente, se ha descubierto que el efecto también puede ser inverso, es decir, que al plegarlos y estirarlos obtenemos una tensión.

- Cosechado de ruido: El laboratorio NiPS en Italia, ha propuesto recientemente cosechar un amplio espectro de vibraciones a baja escala mediante un mecanismo dinámico, no lineal, que mejora la eficiencia del cosechador en casi cuatro veces en comparación con los cosechadores lineales. Se presume, que el peso total de los sistemas basados en EAPs será significativamente menor que los basados en piezoeléctricos.

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1.2 Energy Harvesting basado en fuente