Sistema híbrido de captación de energía solar-radiofrecuencia para terminales 5G de quinta generación

 Sistema híbrido de captación de energía solar-radiofrecuencia para terminales 5G de quinta generación Carlos Gordón1(B) , Danny Merino1 , Myriam Cumbajín2 , y Carlos Peñafiel3 1 Grupo de Investigación GITED, Facultad de Ingeniería en Sistemas, Electrónica e Industrial, Universidad Técnica de Ambato, UTA, 180207 Ambato, Ecuador {cd.gordon,dmerino2235}@uta.edu.ec 2 Centro de Investigación SISau, Facultad de Ingeniería, Industria y Producción, Universidad Tecnológica Indoamérica, UTI, 180103 Ambato, Ecuador myriamcumbajin@uti.edu.ec 3 Facultad de Ingeniería , Universidad Nacional de Chimborazo, UNACH, 060108 Riobamba, Ecuador carlospenafiel@unach.edu.ec

 Resumen.

 Este trabajo describe en detalle el proceso de diseño e implementación de un Sistema Híbrido de Captación de Energía Solar-Radiofrecuencia para Terminales 5G de Quinta Generación, con el fin de aprovechar las energías presentes en el ambiente y convertirlas en energía eléctrica, el sistema cuenta con dos salidas de voltaje. , 9 V y 5 V, que servirán como fuente de alimentación para diferentes aplicaciones. La metodología utilizada consta de 4 etapas en las que se muestra el diseño, simulación, fabricación y caracterización de las etapas que conforman el sistema. Las pruebas operativas demostraron que el sistema funciona como se indica, durante el día el sistema puede cargar completamente una batería de 9 V a 250 mA en aproximadamente 3 h, mientras que la energía total recolectada durante una noche completa fue de 560 mV. Las salidas de voltaje varían entre 8,86 V y 5,04 V respectivamente cuando la batería se está cargando y 9,11 V y 5,16 V respectivamente cuando la batería está completamente cargada. Este trabajo tiene como objetivo sentar las bases para futuras investigaciones sobre sistemas híbridos de recolección de energía. 

Palabras clave: Cosecha de energía · Terminales 5G · Sistema híbrido · Solar · Radiofrecuencia 1 

Introducción

 En los últimos años, el uso de energías limpias ha ido aumentando paulatinamente, debido a la necesidad de reducir las emisiones de carbono y la contaminación generada por las fuentes de energía tradicionales [1], diferentes Los estudios se han centrado en la generación de energía a partir de fuentes renovables [2] y que no suponen un impacto significativo en el medio ambiente, como la energía solar y la energía eólica [3], que actualmente se están utilizando para aplicaciones a gran escala como el suministro de energía. electricidad a ciudades o industrias [4]. De esta premisa nace la tecnología conocida como Energy Harvesting, donde surge la posibilidad de aprovechar la energía presente en el ambiente y transformarla en energía eléctrica, capaz de alimentar dispositivos electrónicos de bajo consumo como sensores inalámbricos, teléfonos celulares, terminales IoT, entre otros. otros [5, 6]. Últimamente se han desarrollado varias investigaciones centradas en la recolección de energía como se muestra en los artículos: “A Survey on Recent Energy Harvesting Mechanisms”, donde los autores presentan un estudio sobre la recolección de energía electromagnética, electrostática y piezoeléctrica [7] y “Avances recientes y futuros”. perspectivas en tecnologías de recolección de energía”, que describe el desarrollo de materiales, procedimientos y desafíos presentados por las tecnologías de recolección de energía [8]. El uso de la radiofrecuencia como fuente de captación de energía ha sido de gran interés debido a que señales como radio, televisión, celular, wifi, satélite, entre otras, permanecen presentes en el ambiente todo el tiempo [9]. Sin embargo, la energía recolectada por este tipo de sistema es baja, generalmente en el rango de milivoltios como se muestra en: “Antenas logarítmicas para aplicaciones de recolección de energía electromagnética” [10]; “Sistema portátil de recolección de energía electromagnética” [11]; y “Diseño de circuitos de recolección de energía de radiofrecuencia para aplicaciones de electrónica de baja potencia” [12]. Un tipo de sistema de recolección de energía que presenta buenos resultados es el que aprovecha la energía solar, el voltaje recolectado por este tipo de sistema es mayor en comparación con la Radiofrecuencia, como se muestra en “Un sistema eficiente de recolección de energía solar para nodos sensores inalámbricos”. [13],

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 sin embargo, estos resultados varían según las horas del día, y durante la noche la captación de energía es nula. Es por esta razón que proponemos el diseño e implementación de un sistema de recolección de energía que combine las ventajas de la radiofrecuencia y los sistemas solares para crear un sistema híbrido eficiente que sea capaz de alimentar continuamente dispositivos 5G IoT de quinta generación. La metodología utilizada para el desarrollo del sistema se divide en 4 etapas:

 la primera describe el proceso de diseño de los elementos que conforman el sistema; 

el segundo muestra las simulaciones realizadas;

 el tercero describe el método de fabricación que se utilizó;

 Finalmente, en la cuarta etapa, se detallan los métodos utilizados para la toma de mediciones. 

2 Metodología 

Los métodos utilizados para el diseño, simulación, fabricación y caracterización de cada etapa del sistema se describen a continuación.

 2.1 Diseño

 El diagrama de bloques del sistema híbrido se muestra en la Fig. 1. Los paneles solares convierten la energía solar en energía eléctrica la cual ingresa al convertidor elevador que se encarga de elevarla al cargador de baterías. entrega el voltaje a la batería de 9V hasta que esté completamente cargada, luego se desconecta, la antena capta las ondas de radiofrecuencia presentes en el ambiente, el multiplicador de voltaje rectifica y eleva el voltaje captado, esta etapa se conecta al cargador de baterías, el selector de voltaje La etapa funciona como un interruptor para mantener constante el voltaje de salida al cambiar entre el voltaje del convertidor elevador y la batería, finalmente la etapa divisora de voltaje reduce la salida de 9 V a 5 V que se puede usar para diferentes aplicaciones. 

Fig. 1. Diagrama de bloques del sistema híbrido de recolección de energía propuesto.

Antena De los varios tipos de antenas existentes para captación de energía, las más utilizadas son las de tipo parche o microstrip, así mismo dentro de este tipo de antenas existen variedad de geometrías como: cuadrada, rectangular, circular, elíptica, triangular, entre otras [ 14]. Para el sistema se propone el diseño de una antena de parche ranurada, y la frecuencia de resonancia se toma como Fr = 2.4 GHz, el material del sustrato es fibra de vidrio FR4, la cual tiene una constante dieléctrica εr = 4.3 y un espesor h = 1.465 mm. Para el cálculo matemático se utilizaron las siguientes ecuaciones. Ancho del parche

 Paneles Solares Para esta etapa se optó por utilizar 4 paneles solares idénticos, cada uno entrega un voltaje de 2.4 V y una corriente de 80 mA cuando trabaja a su máxima capacidad, debido a que el sistema debe contar con la corriente necesaria para alimentar dispositivos 5G de quinta generación y también para cargar la batería se realizó una configuración mixta Serie-Paralelo, la cual se muestra en la Fig. 2. Para la conexión de los paneles solares los cálculos se realizaron con las Ecs. 5 y 6. 

VT = Vpanel1 + Vpanel2 = Vpanel3 + Vpanel4 (5) donde VT = Voltaje total que tendrá el conjunto de paneles solares, debido a que los paneles son idénticos el voltaje que se obtiene sumando Vpanel1 y Vpanel2 es el mismo sumando Vpanel3 y Vpanel4 y como se mantiene el voltaje de dos fuentes en paralelo, este será el voltaje de salida del conjunto de paneles VT = 4.8V. IT = Iserie1 + Iserie2 (6) donde IT = Corriente total del arreglo, debido a que al conectar dos fuentes en serie la corriente se mantiene, la Iserie1 es igual a la corriente del panel en este caso 80 mA, por lo tanto, la IT = 160 mA .

Fig. 2. Conjunto de paneles solares en configuración mixta.

Multiplicador de Voltaje

 Para esta etapa se propone el diseño de un multiplicador de voltaje Cockcroft-Walton de 5 etapas utilizando capacitores electrolíticos de 100 uF y diodos Schottky HSMS286C debido a que presenta mejores resultados para este tipo de aplicaciones que otros diodos como el BAT43 o el 1N5819, como se muestra. en “Sistema de Acondicionamiento para un Dispositivo de Captación de Energía Electromagnética” [15], además de su bajo consumo de aproximadamente 30 mV y rápida respuesta en altas frecuencias. La Figura 3 muestra el multiplicador diseñado en el software Proteus. Convertidor Elevador Para esta etapa se utilizó el convertidor elevador MT3608 debido a sus características tales como: voltaje de entrada de 2 V a 24 V, voltaje de salida ajustable hasta 28 V, limitador de corriente integrado, bajo consumo de corriente, eficiencia de hasta el 97 % y tamaño pequeño, lo que lo hace perfecto para usar en aplicaciones de bajo consumo. El diseño del circuito se basó en el circuito de aplicación básica sugerido en la hoja de datos. Así, se obtuvo el circuito que se muestra en la Fig. 4.

Fig. 3. Diseño del multiplicador de voltaje de 5 etapas Cockcroft-Walton.

Fig. 4. Convertidor elevador diseñado

Cargador de Baterías Para el circuito del cargador de baterías se optó por una configuración sencilla utilizando un relé de 5 V, 2 diodos Schottky 1N5819W, 1 transistor S8050 y un potenciómetro de precisión 1K. La batería se conecta al pin normalmente cerrado del relé, una vez que el voltaje de la batería llega a su carga máxima el relé se activa enviando el voltaje de carga al pin normalmente abierto, con el potenciómetro se puede variar el voltaje máximo de carga que alcanzará la batería. . La Figura 5 muestra el circuito cargador de baterías diseñado en Proteus.

Fig. 5. Circuito cargador de baterías diseñado

Selector de Voltaje Esta etapa fue diseñada para que el voltaje de salida del sistema sea constante, y la batería se use sólo cuando sea necesario, extendiendo así la vida útil de la batería. Se utiliza un transistor Mosfet de canal P como interruptor, una resistencia de 10K y un diodo Schottky. El circuito diseñado se muestra en la Fig. 6. De esta manera, siempre que haya un voltaje positivo en la puerta del Mosfet, el Mosfet permanecerá abierto y el voltaje de salida será el proveniente del convertidor elevador, mientras que si el convertidor elevador El voltaje del convertidor cae, la resistencia Pull-Down conecta a tierra la puerta Mosfet, por lo que se cerrará permitiendo que pase el voltaje de la batería, el diodo Schottky sirve como protección.

Fig. 6. Circuito selector de voltaje diseñado.

Divisor de Voltaje Para tener también una salida de 5 V para aplicaciones que requieran menor voltaje de alimentación, se realiza un circuito divisor de voltaje utilizando dos resistencias, para el cálculo de sus valores Ec. 5 se utiliza donde Vo = voltaje de salida y Vin = voltaje de entrada. Se utiliza un valor de R1 = 1K y el voltaje de entrada Vin = 9V, con este dato se puede reemplazar en la Ec. 5 y borre R2 para calcular su valor. V

Diagrama de Circuito Una vez realizado el diseño de cada etapa del sistema y para optimizar dimensiones, se decidió unificar las etapas de Convertidor Elevador, Cargador de Baterías, Selector de Voltaje y Divisor de Voltaje, en un solo circuito, obteniendo así el circuito que se muestra. en la figura 7.

Fig. 7. Diagrama de los circuitos combinados.

2.2 Antena de Simulación 

Para realizar la simulación de la antena de parche se utiliza el software CST STUDIO SUITE 2019 ya que permite el diseño, análisis y optimización de sistemas electromagnéticos con una alta precisión, además cuenta con las herramientas de simulación necesarias para determinar los resultados requeridos. para el estudio. Ranuras Como se muestra en el artículo “Diseño y análisis de una antena de parche microcinta ranurada, una revisión” [16], agregar ranuras a la geometría de la antena de parche afecta varias propiedades de la antena, como la ganancia, el patrón de radiación, la directividad y la pérdida de retorno, según la forma. número y dimensiones de las ranuras. Otro beneficio es la supresión de armónicos, como se describe en “Una antena de parche rectangular con supresión de armónicos de 2,45 GHz con polarización circular para aplicaciones de transferencia de energía inalámbrica” [17]. Con esta información como base, se realizaron pruebas con diferentes tipos de ranuras hasta llegar al diseño que se muestra en la Fig. 8(a), al ser las esquinas superiores también redondeadas, con este diseño se logró reducir la frecuencia de la segunda armónica hasta 2,43 GHz hasta −16,2 dB, tomando también como referencia un umbral de resonancia de −10 dB, la antena trabajaría desde 2,29 GHz hasta 2,46 GHz. La Figura 8(b), muestra una comparación entre los resultados obtenidos al inicio (línea roja) y una vez insertadas las ranuras (línea verde). 

Paneles Solares

 Para la simulación de los paneles solares se utiliza el software MatLab-Simulink, con el componente PV ARRAY se puede simular un conjunto mixto de paneles, se ingresan los datos característicos de los paneles. Los resultados obtenidos fueron: 4.8V y 160 mA, estos resultados se muestran en la Fig. 9. 2.3 Fabricación de la Antena Para la fabricación de la antena se utiliza el método de plancha, para esto el diseño realizado en 

Fig. 8. a) Antena de parche ranurada de 2,43 GHz diseñada, b) Comparación entre la antena de parche sin ranuras (línea roja) y con ranuras (línea verde). (Figura en color en línea)

Fig. 9. Simulación de conjunto de paneles solares mixtos en MatLab.

CST Studio Suite se exportó a un archivo DXF para luego transformarlo a un archivo de imagen PNG, para finalmente imprimir el diseño y fabricarlo en sustrato FR4. La Figura 10 muestra el resultado de la fabricación de la antena. Finalmente se suelda un conector macho 50- RP-SMA 

Fig. 10. (a) Antena diseñada, (b) Antena fabricada.

Fabricación de Circuitos Una vez diseñados los circuitos en Proteus, se utiliza la herramienta PCB Wizard para diseñar el PCB Layout de cada uno, debido al tamaño de los elementos utilizados, ha sido necesario utilizar herramientas de precisión para la soldadura SMD. La Figura 11 muestra el Layout de PCB diseñado y el resultado de fabricación de los circuitos del sistema diseñado.

Fig. 11. Diseño de PCB y fabricación de a) circuito multiplicador de voltaje, b) sistema completo.

2.4 Caracterización de la Antena

 Para analizar los parámetros de la antena de parche ranurada fabricada se utiliza el analizador de redes vectorial NanoVNA V2, en el que se miden el parámetro S11, S22 y la impedancia de la antena. El analizador debe calibrarse antes de su uso. La Figura 12 muestra el resultado obtenido por el analizador, la frecuencia de resonancia de la antena es de 2.429 GHz a −15.71 dB, estando las frecuencias entre 2.395 GHz y 2.461 GHz por debajo de −10 dB y una impedancia de 50 ohmios a 2.431 GHz. Panel solar El voltaje y la corriente entregados por el conjunto mixto de paneles solares se midieron utilizando un multímetro. Las pruebas se realizaron a las 12:05 horas con cielo completamente despejado, y se obtuvo una tensión medida de 4,51 V y una corriente de 160,4 mA. La Figura 13 muestra los resultados de mediciones prácticas. Multiplicador de Voltaje Para realizar la medición del circuito multiplicador de voltaje, éste debe estar conectado a la antena. Por este motivo se suelda un conector SMA para conectar la antena y el multiplicador. En este caso, por motivos de disponibilidad, se utilizó un conector SMA macho y un adaptador SMA hembra a RP-SMA macho. Las mediciones se realizaron junto a un enrutador Wi-Fi de Huawei. La Figura 14 muestra la medición que resultó en un voltaje máximo de 597 mV

Fig. 12. Gráfica del parámetro S11 medido desde la antena fabricada

Fig. 13. Medidas tomadas del conjunto de paneles solares mixtos: a) tensión medida, b) corriente medida

Fig. 14. Tensión medida en la salida del multiplicador de tensión de 5 etapas.

Convertidor Elevador Utilizando un multímetro se verifica el funcionamiento del convertidor elevador diseñado, encontrando que el circuito comienza a funcionar a partir de 1.8 V. Como se muestra en la Fig. 15, el circuito alcanza un voltaje de salida máximo de 29.5 V cuando 2 Se suministra V a su entrada. A partir de aquí no se registrarán cambios en la salida del circuito a pesar de aumentar el voltaje de entrada.

Fig. 15. a) tensión de entrada, b) tensión de salida del convertidor elevador.

Sistema Implementado Una vez verificado el funcionamiento de cada uno de los circuitos que componen el sistema, se conectan entre sí según el diagrama de bloques que se muestra en la Fig. 1. El sistema completo se muestra en la Fig. 16. Durante el día, la mayor cantidad de energía se obtendrá de los paneles solares, mientras que, por la noche, la antena será la que proporcione el voltaje al circuito.

Fig. 16. Sistema Híbrido de Captación de Energía Solar-Radiofrecuencia para Terminales 5G de Quinta Generación. a) Paneles solares, b) Antena, circuitos y batería.

3 Análisis de Resultados

 Una vez verificado el funcionamiento de cada una de las etapas, se realizaron pruebas de almacenamiento de energía utilizando una batería de 9V a 250 mA y un Condensador de 1000 uF a 50V, en tres ambientes diferentes: junto a un router Wi-Fi, en el jardín de una casa ubicada en el casco urbano y en los jardines de la Universidad Técnica de Ambato (UTA). 

En la Tabla 1. Se muestran los resultados de las mediciones del voltaje captado por la antena, como se puede observar la antena recolectó más voltaje al colocarla cerca de una fuente de radiación de 2.4 GHz como lo es el Router Wi-Fi. 

Tabla 1. Energía Cosechada por la Antena en una batería recargable de 9V.

Se realizaron pruebas con los paneles solares, las mediciones se tomaron en un día soleado y en un día nublado, de esta manera se puede determinar cómo influye el clima en la cantidad de energía almacenada en cada momento. Como se muestra en la Tabla 2, el nivel de voltaje de los paneles en un día soleado como en un día nublado no presenta una diferencia significativa, sin embargo, en un día soleado el voltaje total recolectado es mucho mayor debido a que la corriente entregada por los paneles es directamente proporcional a la cantidad de luz que les incide, por lo que la batería se carga más rápidamente, en este caso la batería recolectó 1.22V en 90. 

Tabla 2. Energía cosechada por los Paneles Solares en una batería recargable de 9V.

En la Tabla 3 se muestran los resultados de las mediciones tomadas con el sistema completo, estas pruebas se realizaron en una zona urbana tanto en un día soleado como nublado y durante la noche. Se puede observar como la energía total recolectada durante el día es muy similar a los resultados de la Tabla 2, obtenidos con los paneles solares, mientras que para la noche el voltaje total recolectado en un periodo de 90 min alcanzó los 110 mV, adicionalmente la energía total recolectada en un periodo de 90 min alcanzó los 110 mV. Se midió recolectada en un periodo de 11 h de 7pm a 6am obteniendo un voltaje de 560mV. También se demostró que durante el día el sistema puede cargar completamente una batería de 9 V a 250 mA en aproximadamente 180 minutos, independientemente de si el día está nublado o soleado.

Finalmente, se calibró la etapa del cargador de baterías para que se desconecte automáticamente cuando el voltaje de la batería alcance los 9.25V, protegiendo así la batería de sobrecargas que podrían reducir su vida útil. Además, se encontró que cuando los paneles solares no alcanzan los 2V requeridos para el funcionamiento del Convertidor Elevador, el voltaje de salida cambia automáticamente al voltaje de la batería, esta transición se realiza casi de inmediato debido a la velocidad del Mosfet. Se utiliza para la etapa selectora de voltaje, de modo que los dispositivos que están conectados al sistema no lo noten. Se tomaron medidas de las salidas de voltaje, comprobando que cuando el sistema está cargando la batería el voltaje en la salida de 9V es de 8.86V mientras que en la salida de 5V es de 5.04V, mientras que una vez que la batería está completamente cargada el voltaje en las salidas es de 9.11 V y 5.16V respectivamente, estos resultados se pueden ver en la Fig. 17.

Fig. 17. a) voltaje medido en la salida de 9 V del sistema, b) voltaje medido en la salida de 5 V del sistema.

El sistema ha sido diseñado para dispositivos 5G, debido a los requerimientos para la ejecución del proyecto de investigación “Captación de Energía Limpia de Baja Potencia para Alimentación de Dispositivos de Quinta Generación (5G)”, que se lleva a cabo. Sin embargo, se puede utilizar para otro tipo de dispositivos como teléfonos celulares, si la energía requerida no es mayor a la que entrega el sistema, 9V y 160 mA aproximadamente.

4 Conclusiones 

En este trabajo se ha llevado a cabo el diseño, simulación, fabricación y caracterización de cada una de las etapas de un sistema híbrido de captación de energía solar-radiofrecuencia para terminales 5G de quinta generación. A través de mediciones y pruebas se verificó que el sistema propuesto funciona según lo diseñado, manteniendo voltajes de 8.86 V y 5.04 V en sus salidas cuando la batería se encuentra cargando y 9.11V y 5.16V cuando la batería deja de cargarse. Los tiempos de carga pueden variar dependiendo de las condiciones climáticas, la hora del día y la distancia del sistema a una fuente de RF, pero se ha descubierto que durante el día la batería se puede cargar completamente en aproximadamente 3 h. La energía captada por la antena no llega a los 2 V requeridos por el convertidor elevador, por lo que se ha optado por conectarlo directamente a la etapa de carga de la batería, esto será útil durante las noches ya que según los resultados obtenidos podría recoge alrededor de 560 mV. El sistema se puede utilizar para alimentar dispositivos de bajo consumo como sensores inalámbricos o terminales basados en tecnología 5G, también se puede calibrar para su uso con baterías de diferentes voltajes, utilizando los dos potenciómetros de precisión ubicados en el PCB principal, siendo el primero el Se regula el voltaje de salida del convertidor elevador, mientras que el segundo se utiliza para indicar el voltaje del relé que se activará para detener la carga de la batería. 

Expresiones de gratitud. 

Los autores agradecen a la Universidad Técnica de Ambato y a la Dirección de Investigación y Desarrollo (DIDE) por su apoyo en la realización de esta investigación, en la ejecución del proyecto "Captación de Energía Limpia de Baja Potencia para Alimentación de Dispositivos de Quinta Generación". (5G)”, aprobado mediante resolución “Nro. UTA-CONIN-2022-0015-R”. Código de proyecto: SFFISEI 07. 

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