el transporte de energía inalámbrico
Alexandre Douyère¹, Guy Pignolet', Edouard Rochefeuille¹², Frédéric Alicalapa¹, Jean-Daniel Lan Sun Luk¹ y
Jean-Pierre Chabriat¹
¹LE2P, Universidad de La Reunión, Francia
2 IMEP-LAHC, Instituto Politécnico de Grenoble, Francia
Correo electrónico: alexandre.douyere@univ-reunion.fr
Resumen: este artículo presenta la síntesis de los resultados del
estudio de caso realizado en la Isla de la Reunión en 2001 sobre
un sistema inalámbrico de transporte de energía (TIP). El objetivo
era demostrar la viabilidad de un enlace punto a punto que transfiera
energía a través de un haz de microondas de 2,45 GHz a un
pequeño pueblo aislado de montaña (Grand-Bassin). La distancia entre
el sistema receptor y la fuente emisora era de 700 m. La antena
emisora estaba compuesta por un conjunto de magnetrón/reflector.
El elemento rectificador en recepción utilizó una antena de hilo
original, aunque se integró bien en el entorno natural y presentó
buenas prestaciones.
Para validar este estudio, se construyó y demostró públicamente en
La Reunión un prototipo de TIP. Este prototipo ha exhibido una eficiencia
general de transferencia de energía del 6% desde la fuente principal.
red eléctrica a la carga.
Términos del índice transporte inalámbrico de energía, reccena y
magnetrón.
I. INTRODUCCIÓN
Uno de los mayores desafíos de nuestra época es la búsqueda de
fuentes de energía sostenibles, seguras y que tengan poco o ningún
impacto en el medio ambiente. Los métodos actuales de generación y
distribución de energía eléctrica imponen graves limitaciones al medio
ambiente. Entre estas opciones, las plantas nucleares han sido
ampliamente estudiadas, pero no son satisfactorias en términos de desarrollo
sostenible debido a los problemas de eliminación de desechos
nucleares. Además, estas fuentes de energía nuclear son peligrosas, como se
demostró recientemente en los accidentes nucleares en Japón.
Para evitar esto, el transporte inalámbrico de energía (WPT)
puede resultar una solución alternativa, que presenta una nueva tecnología
prevista para recuperar energía de los futuros satélites de energía
espacial (SPS) [1-3]. Esta tecnología consiste en poner en órbita
un satélite que capta permanentemente energía solar y la envía hacia
estaciones terrestres a través de un haz de microondas. Muchos
experimentos con TIP se realizaron en los años setenta y
posteriormente. En Estados Unidos, el Departamento de Energía demostró
la viabilidad del concepto SPS.
Entonces pareció oportuno desarrollar sistemas terrestres
para probar y mejorar la tecnología. Esta acción también es
una ventaja para la aceptación pública antes de que este
concepto se utilice a gran escala en el espacio.
En 1994, Grand-Bassin fue seleccionado como el más interesante
argumentos a favor de una primera implantación operativa de un sistema TIP.
Grand-Bassin es un pequeño pueblo, a 700 m de la cima, en un
Cañón panorámico en el corazón de la Isla de la Reunión, una región volcánica
de Europa situada en el Océano Índico. El primer objetivo del
proyecto WPT de Grand-Bassin era servir a la comunidad de
Grand-Bassin proporcionando energía eléctrica adicional para el
funcionamiento de los albergues. La potencia que se suministrará
al pueblo se estimó en 10 kW. Otro objetivo era también
definir las restricciones de seguridad y la integración ambiental
del sistema.
La presentación del proyecto comienza con la definición
de los diferentes elementos que componen el sistema. Luego se
presentan los resultados y se cuantifica la viabilidad del estudio realizado
en 2001. Finalmente se construye un prototipo y se exponen sus
prestaciones.
II. ELEMENTOS DEL SISTEMA TIP
Un sistema TIP se compone de dos secciones (Fig. 1): un sistema
emisor de proyección donde la electricidad se convierte en
microondas electromagnéticas y se forma en un haz dirigido hacia
la zona receptora, y un sistema de recolección donde se utilizan las
microondas entrantes. para generar corrientes de alta frecuencia
que luego se rectifican a CC mediante dispositivos especiales
llamados "rectennas" (para rectificar antenas). Para este estudio, habíamos
considerado una eficiencia del 60% para el canal de propagación
inalámbrico.
Fig. 1. El estudio de caso "Grand Bassin"
A. La parte emisora
A partir de una distancia de 700 m entre cada elemento, los cálculos
básicos mostraron que será necesario un diámetro aproximado
de haz de microondas de entre 15 y 20 m para transportar los 10
kW de energía de un conjunto de magnetrón/reflector. El magnetrón
es un oscilador de microondas que funciona libremente y es capaz de
Proporcionan una alta potencia de salida de microondas con una buena
eficiencia (hasta 80%). En esta unidad se optó deliberadamente
por el uso de varios magnetrones de baja potencia en lugar de
una única fuente de alta potencia. Esto se debe a que los magnetrones
de baja potencia eran muy baratos y robustos, y esta configuración
facilitó las operaciones de mantenimiento y el costo, así como
futuros desarrollos de mejora de energía del sistema. Se ha desarrollado
un nuevo tipo de antenas, denominada antena reflectora parabólica
multifoco (MPR), para la integración medioambiental y paisajística.
Este nuevo tipo de antena utilizaba muchas superficies parabólicas
con diferentes focos, pero todas compartían un foco común. Con esta
técnica, el área efectiva se mantuvo al mismo nivel que las antenas
parabólicas convencionales, al tiempo que se redujo la ocupación
del espacio. Dependiendo de la potencia requerida para la
emisión, se dedujo que eran necesarias unas 10 antenas MRP.
B. La parte receptora
Durante la recepción, la energía se recoge del campo electromagnético,
que "atrapa" los electrones oscilantes en un lado del
dispositivo mediante diodos Schottky, generando así un potencial de
corriente continua. Se pueden conectar muchos dispositivos en serie
y en paralelo para generar suficiente energía para el acondicionamiento
de energía que entrega voltaje de CA convencional de 220
VRMS, 50 Hz. Este conductor virtual inalámbrico y totalmente
invisible tendrá un diámetro de unos 50 my una forma básicamente
cilíndrica. A una distancia de 700 m, la energía transportada se
distribuirá en un tramo de 334 m². La densidad de energía estará muy
por debajo de la densidad transportada por los rayos de sol
ordinarios. Se estimó que la densidad de potencia media de la onda
en la dirección normal de recepción era igual a 50 W/m2.
La rectenna, circuito que convierte la señal de RF en corriente
continua, estaba constituida por una antena dipolo H, un filtro de entrada
para adaptar el circuito a la impedancia de la antena, un puente de
diodos Schottky (1SS97 NEC) y un filtro de paso bajo en tecnología
cableada.
La eficiencia prevista de la rectenna fue de aproximadamente
el 60 % a +10 dBm. Luego se propuso un conjunto constituido por un
subconjunto de 6 H-dipolos y el circuito rectificador con un área efectiva de
0.058 m² y agrupados en serie y paralelo. Cada reccena estaba distante de
su vecina a 32/2. Luego, un bus de CC con cable de cobre recogió las
diferentes potencias de CC. Finalmente, para cubrir una superficie de 334
m², se planificó un conjunto de aproximadamente 5748 subconjuntos
de 6 elementos.
C. Resultados de las características obtenidas para el sistema final
La Tabla 1 ilustra los valores estimados de eficiencia energética
del sistema TIP identificando el origen de las principales fuentes de
pérdidas [4-5]. Se podría considerar una eficiencia global del 26%
para el sistema de transporte. Era evidente que, para el suministro
eléctrico de una aldea remota, esta solución era costosa y no podía
justificarse con criterios puramente económicos. Sin embargo,
la instalación de este sistema podría abordar otras cuestiones
y servir como base experimental para probar nuevos
componentes de los sistemas TIP.
TABLA I
RESULTADOS TEÓRICOS DEL ESTUDIO DE CASO "GRAND BASSIN"
Frecuencia
lambda
Distancia
Unidad de valor
2,45GHz
0,12 metros
700.00m
10,00 kilovatios
0,60
Usuarios
Energía entregada
Eficiencia de la antena
Potencia de RF recibida
16,67 kilovatios
Densidad de poder
5,00 mW/cm2
Área efectiva total
333,33 m2
parte de recepción
Área efectiva del subconjunto
0,058 m2
Área unitaria real
0,16m2
Número de submatriz
sección real
904,93 m2
Potencia entregada por un subconjunto
2,90W
Número de diodos Schottky
Transmisión por
canal
Eficiencia
0,60
potencia inyectada
27,78 kilovatios
Área efectiva del magnetrón
formación
13,22 m2
Área unitaria efectiva
1,33m2
parte de emisión
0,90
3,09 kilovatios
30,86 kilovatios
0,80
Número de elementos
Eficiencia coincidente
Fuente de energía por reflector
El poder global de la fuente
Eficiencia del magnetrón
Energía consumida a EDF
Eficiencia global
38,58 kilovatios
III. PROTOTIPO WPT
25,92%
El estudio de caso de Grand-Bassin estimó inicialmente que una
eficiencia global del 20% era un umbral por debajo del cual un
enlace TIP no podría ser viable en comparación con otros enfoques para
el suministro de energía a la aldea. Necesitábamos demostrar que un
prototipo podía presentar una eficiencia global lo más cercana posible
a esta cifra. Otras razones para construir un prototipo de TIP
incluyeron:
Evaluar el impacto de los elementos del sistema
sobre el medio ambiente.
Pruebas de diferentes tecnologías para los distintos elementos
(rectenas, acondicionamiento de energía)
Demostrando que la TIP es una tecnología que funciona
Adquirir dominio local de la integración de sistemas.
En la etapa de diseño del prototipo se siguieron requisitos mínimos
para mantener el proyecto en el presupuesto y tiempo. Tuvimos
que relajar algunas limitaciones de la tecnología esencialmente en el
siguientes puntos: La
demostración de la puesta en fase del magnetrón aún se incluiría,
pero se mantendría al mínimo utilizando dos sistemas parabólicos.
antenas reflectoras.
No era posible utilizar la tecnología de recena de alambre
y en su lugar se utilizó una solución que utiliza placas
de circuito impreso.
Algunas piezas convencionales (guía de ondas, antena de bocina),
que normalmente se compran en el mercado, fueron construidas por
algunos de nuestros socios industriales relajan algunas
restricciones de calidad para mantener el costo al mínimo.
El generador de microondas consistía en un magnetrón de horno
de microondas modificado para agregar dos bobinas electromagnéticas
adicionales (Fig. 2). Esto permite cambiar el campo magnético
en la cavidad. Este es uno de los parámetros utilizados por el
controlador directo inverso [6] para tener un efecto en la amplitud de la
potencia de salida del magnetrón. Se utilizó bloqueo por inyección
para bloquear el magnetrón a un oscilador de referencia.
Fig. 2. Fotografía del magnetrón del horno de microondas que muestra bobinas electromagnéticas
agregadas para el control de amplitud.
El oscilador de referencia era un oscilador sintetizado a 2,45 GHz,
amplificado por un amplificador de estado sólido FET para producir
una señal de +43 dBm en un brazo de un circulador de guía de ondas,
que conducía la señal inyectada al puerto del magnetrón. La antena
emisora estaba alimentada por una bocina piramidal y la superficie parabólica
del reflector estaba hecha de una malla de alambre de hierro (Fig. 3-
a). Mediciones simples de ganancia en la dirección principal del prototipo
hecho a mano dan un resultado de 33 dB a 2,45 GHz. Para cumplir
con las especificaciones del estudio, la antena proyectante utilizada
para iluminar la antena receptora con la distribución de energía
correspondiente debe ser una antena con un radio de apertura de 3 m.
Fig. 4. (a) Fotografía de la hoja de PCB y (b) un elemento de recena
Cada hoja de PCB contenía seis elementos rectenna (Fig. 4-a). Cada
elemento utilizó 3 diodos Agilent HSMS-2802 para rectificar la señal
de entrada de microondas en un voltaje de CC. Los autobuses DC
estaban presentes en la parte superior e inferior de cada hoja. Esto
permitió una fácil conexión en serie o en paralelo a otras láminas de
PCB en la antena receptora. La máxima eficiencia se obtuvo cuando
se conectó una carga de 140 2 a los puertos de salida de CC de una
hoja de PCB para una iluminación de 100 W/m2 a 2,45 GHz.
Se había realizado una caracterización de la potencia máxima
de salida versus la resistencia de carga para diferentes densidades
de potencia entrante. A partir de esta caracterización, fue posible
aproximar la mejor configuración de conexión para las láminas
de PCB de la antena. Finalmente, no se introdujo ningún
circuito de protección contra sobretensión en el sistema. La antena
ensamblada tenía 3,5 metros de alto y 4,5 metros de ancho y
se muestra en posición vertical en la figura 3-b. Se realizó una
demostración pública con tres bombillas conectadas al puerto de
salida de CC del conjunto de recenas. La distancia entre la antena
emisora y la antena ensamblada fue de unos 40 m y la demostración
se realizó en un gimnasio.
Hay que tener en cuenta, sin embargo, que las bombillas no
proporcionaban una carga óptima a la reccena. Otra prueba realizada
conectando una resistencia variable a la antena nos permitió
medir una potencia de salida máxima del sistema de 65 W. Esta
potencia se obtuvo cuando el magnetrón que alimentaba la antena
reflectora parabólica única funcionaba a su máxima potencia
(alrededor de 700 W). La potencia extraída de la red para alimentar
el magnetrón y el sistema de sincronización fue ligeramente superior
a 1,1 kW (excluyendo los equipos informáticos). Este prototipo
alcanzó una eficiencia global de aproximadamente el 6 % en su
primera versión.
(a)
(b)
Fig. 3. (a) Fotografía de la antena emitida y (b) antena montada en
recepción
La antena de la parte receptora se construyó utilizando tecnología de placa
de circuito impreso (PCB). Los conductores de la antena se grabaron
químicamente y los diodos rectificadores de montaje en superficie se soldaron en
una PCB de una sola capa (Fig. 4-b), que luego se ensambla a aproximadamente
un cuarto de longitud de onda por encima de un plano de tierra.
(a)
(b)
IV. CONCLUSIÓN
Después de cuantificar la viabilidad del sistema TIP en relación
con el estudio de caso de Grand Bassin, construimos y demostramos
públicamente un prototipo operativo de TIP que exhibía una
potencia de salida de 65 W con una eficiencia global del 6%. Esto
se había logrado a pesar de una financiación limitada y un plazo
muy reducido. Sin embargo, haber construido y operado el
prototipo había proporcionado una experiencia formidable, cualquiera
que fuera su rendimiento. Había permitido a los diferentes socios
para conocer mejor el trabajo que queda por hacer antes de
instalar un sistema TIP para suministrar electricidad a Grand-
Bassin.
RECONOCIMIENTO
Nos gustaría reconocer a la ciudad de Le Tampon y
Al Consejo Regional de La Reunión por su ayuda financiera y
apoyo continuo a nuestra investigación sobre la tecnología TIP.
Los autores también agradecen a los socios industriales involucrados
en este proyecto por su capacidad de respuesta y disponibilidad:
CMOI, HSI, MetaColor, SETB, Trois-Bassin High-School.
REFERENCIAS
[1] Glaser, P., "La energía del sol: es el futuro", Revista Science, vol. 162,
Número 3856, págs. 857-861, doi: 10.1126/science, 1968.
[2] Brown, W.C., "La historia de la transmisión de energía por ondas de
radio", Teoría y técnicas de microondas IEEE Transactions on, vol. 32, págs.
1230-1242, 1984, ISSN 0018-9480.
[3] Brown, W.C., "El transmisor SPS diseñado alrededor del amplificador
direccional de magnetrón", Space Power Mag., vol. 7, núm. 1, pág. 37-49,
1988.
[4] Pignolet, G., "El estudio de caso para la transmisión de energía por microondas en
Isla de la Reunión", en 1999 Space Energy and Transportation Mag., vol.
4, núm. 3, págs. 127-131, 1999.
[5] Pignolet, G., "Grand-Bassin: a step on the ladder to Energy from space", en
1999 The High Frontier Conference, Space Studies Institute, Princeton, EE.UU. ,
6 al 9 de mayo de 1999.
[6] L. Chane Kuang Sang, A. Celeste, J.D. Lan Sun Luk y P. Hervé,
"Magnetron synchronization & control for terrestrial point-to-point
wireless power Transportation apps", Conferencia WPT01, Isla de la
Reunión, 2001.
