Cosecha de Energía 1
Teoría
El esquema de abajo describe una secuencia típica de un sistema cosechador de energía donde se observa un transductor en el primer bloque, que transforma un tipo de energía, sea mecánica, electromagnética o calórica, a energía eléctrica. Dado que el transductor puede generar un potencial (Vi) diferente al requerido, sea este un voltaje muy bajo o muy alto, se lo readapta a un valor de potencial aceptable para el sistema desarrollado, como vemos en el segundo bloque. De esta manera, la energía se la acumula progresivamente a medida que se cosecha, proceso representado por el tercer bloque.
Esta carga se acumulará hasta llegar a un umbral, el cual será detectado por un comparador. Entonces, alcanzada la acumulación de energía deseada, la misma se conmutará hacia la carga o aplicación práctica desarrollada.
Objetivo
Demostrar que es posible obtener energía de la luz mediante una matriz de leds con el fin de cosecharla para energizar una aplicación real.
Investigación
Se realiza un análisis de diferentes tipos de led según longitud de onda y formato. Se detectan los más propicios. La planilla de abajo representa los resultados del análisis.
Del gráfico se observa que los de mejor comportamiento son los infra-rojos y los rojos siendo los infra-rojos los que entregan mayor potencia.
Sin embargo, ayudados con el adicional de ópticas con ángulo de captación de 8°, es notable como se incrementa la capacidad de captación, ya que trabajan como concentradores de la radiación lumínica.
En el esquema de abajo se presenta un LED de 100 watts donde se describe su conformación y distribución de sub-LEDs representados electrónicamente como diodos
Desarrollo
Se construyen dos matrices de led a modo de celdas solares. Los leds se conectan en serie y paralelo para alcanzar la tensión y corriente mínima deseada. Un panel consta de leds rojos de 10mm y otro de leds infra-rojos de 5mm.
La longitud de onda del led rojo es de 660 nm y las del infra-rojo de 940nm
Además se construyó un panel con LEDs de 5 watts rojos y ópticas adosadas, para aumentar la concentración de la radiación recibida y generar más potencia.
La descripción de estos paneles se detalla en la fotografía siguiente.
Aplicación
Se implementó una baliza de led con electrónica de muy bajo consumo. Que activa el led baliza una vez que un capacitor, utilizado como almacenamiento de la energía cosechada, llega a un umbral. Este umbral es detectado por un comparador de muy bajo consumo el cual activa un mosfet de bajo Vgsth (la tensión de activación) que descarga el capacitor sobre un led usado como baliza.
En el gráfico de abajo se observa la simulación del circuito mediante una herramienta opensource de LT denominada LTspice.
En color verde se observa la tensión en los capacitores C3 y C4 que es la misma que alimenta al integrado comparador LTC1540 (U1). En color celeste se observa la tensión sobre el capacitor C1, donde se acumula la energía. En rojo se representa la corriente que circula a través de la carga útil.
De esta manera queda demostrado mediante una simulación, que el capacitor C1 acumula la energía cosechada, y al llegar a un valor de potencial determinado por la configuración del comparador, este activa la conmutación y toda la energía acumulada alimenta la carga.
En la fotografía siguiente se observa el prototipo funcional con todos los componentes electrónicos.
En esta siguiente foto se observa la aplicación, representada por el prototipo baliza, conectada al panel solar conformado por la matriz de leds infra-rojo
A continuación se presenta el video de prototipo baliza en funcionamiento. La periodicidad de la baliza es de 7 segundos y dependerá de la intensidad de la radiación lumínica (a mayor radiación, menor será el período):
Conclusión
Queda demostrada la posibilidad de cosechar energía al exponer bajo radiación solar, o artificial un dispositivo electrónico denominado LED ( de sus siglas en Ingles Light Emision Diode, o diodo emisor de luz). Es decir que el LED, un dispositivo que se lo utiliza para iluminar, posee a su vez el efecto inverso denominado efecto fotoeléctrico, capaz de producir energía eléctrica al recibir luz.
Este prototipo basado en electrónica simple bastó para alcanzar el objetivo.