{"id":22089,"date":"2023-11-03T03:00:25","date_gmt":"2023-11-03T03:00:25","guid":{"rendered":"https:\/\/domosistemas.com\/?p=22089"},"modified":"2023-11-03T03:00:25","modified_gmt":"2023-11-03T03:00:25","slug":"foxes-power-cube-la-solucion-de-alimentacion-energetica-del-proyecto-foxes-para-dispositivos-inalambricos-iot","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/domosistemas.com\/?p=22089","title":{"rendered":"FOXES Power Cube, la soluci\u00f3n de alimentaci\u00f3n energ\u00e9tica del proyecto FOXES para dispositivos inal\u00e1mbricos IoT"},"content":{"rendered":"
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El proyecto europeo Suministro de energ\u00eda port\u00e1til y de cero emisiones totalmente basado en \u00f3xidos (FOXES<\/a>) tiene el objetivo de proporcionar alimentaci\u00f3n a los dispositivos inal\u00e1mbricos de IoT. Para ello, el consorcio del proyecto desarrollar\u00e1 un dispositivo compacto, denominado FOXES Power Cube, que combinar\u00e1 una c\u00e9lula solar de alta eficiencia, un condensador multicapa y un circuito de gesti\u00f3n de energ\u00eda capaz de garantizar el funcionamiento totalmente aut\u00f3nomo de un nodo sensor IoT.<\/p>\n

\"Logo
El proyecto europeo FOXES desarrollar\u00e1 un sistema para alimentar los nodos sensores IoT.<\/figcaption><\/figure>\n

Por otro lado, el proyecto definir\u00e1 una hoja de ruta para ampliar esta tecnolog\u00eda y desarrollar\u00e1 los m\u00e9todos de caracterizaci\u00f3n necesarios para garantizar una fabricaci\u00f3n, integraci\u00f3n y operaci\u00f3n confiable de FOXES Power Cube en nodos sensores en entornos urbanos reales.<\/p>\n

De esta forma, la tecnolog\u00eda desarrollada por FOXES permitir\u00e1 crear una nueva generaci\u00f3n de energ\u00eda para aplicaciones que requieren autonom\u00eda energ\u00e9tica, desde redes de sensores y dispositivos IoT hasta el sector transporte, entornos industriales y situaciones de emergencia.<\/p>\n

Para ello, el proyecto cuenta con un consorcio compuesto por cuatro entidades, procedentes de Espa\u00f1a, Alemania y Portugal; y est\u00e1 liderado por el Centro de Materiales Leoben Forschung (Austria). La participaci\u00f3n espa\u00f1ola est\u00e1 representada por la Universidad de Barcelona.<\/p>\n

\"Esquema
La soluci\u00f3n desarrollada por FOXES se podr\u00e1 aplicar en redes de sensores y dispositivos IoT, hasta en el sector transporte, entornos industriales y situaciones de emergencia.<\/i><\/span><\/figcaption><\/figure>\n

Con un presupuesto de 3.992.100 euros, \u00edntegramente financiados por el programa de investigaci\u00f3n Horizonte 2020 de la Comisi\u00f3n Europea, y con una duraci\u00f3n de cuatro a\u00f1os (octubre 2020 a septiembre de 2024), el consorcio est\u00e1 trabajando para crear el prototipo de FOXES Power Cube.<\/p>\n

Este sistema tiene como principal caracter\u00edstica generar y almacenar energ\u00eda con cero emisiones para alimentar a los dispositivos inal\u00e1mbricos, como sensores. Esto ser\u00e1 posible gracias a la combinaci\u00f3n de un recolector de energ\u00eda fotovoltaica con un condensador multicapa, que permitir\u00e1 un funcionamiento energ\u00e9tico aut\u00f3nomo.<\/p>\n

FOXES Power Cube<\/h2>\n

En concreto, FOXES Power Cube tendr\u00e1 una dimensi\u00f3n de 2\u00d72 cm\u00b2 y se compondr\u00e1 por tres elementos: una c\u00e9lula solar de perovskita (PSC) sin plomo para la recolecci\u00f3n de energ\u00eda, un condensador de pel\u00edcula delgada (TFC) multicapa con alta densidad de energ\u00eda para el almacenamiento energ\u00e9tico, y un circuito de gesti\u00f3n de energ\u00eda (EMC).<\/p>\n

\"Foxes
FOXES Power Cube se compondr\u00e1 de tres elementos principales: una c\u00e9lula solar de perovskita sin plomo, un condensador y un circuito de energ\u00eda.<\/figcaption><\/figure>\n

Los tres componentes de FOXES Power Cube se integrar\u00e1n monol\u00edticamente en 3D mediante soluciones de bajo costo y procesos sostenibles, minimizando el uso de productos qu\u00edmicos nocivos, elementos t\u00f3xicos o materias primas cr\u00edticas. El TFC se depositar\u00e1 sobre un sustrato est\u00e1ndar (por ejemplo, vidrio), la electr\u00f3nica de control sobre el condensador y la c\u00e9lula solar encima de la electr\u00f3nica. El grafeno se utilizar\u00e1 como electrodos y como capa protectora entre la electr\u00f3nica de \u00f3xido met\u00e1lico y la c\u00e9lula solar, para mejorar la estabilidad de la PSC y proteger el sistema de capas subyacente contra la interacci\u00f3n qu\u00edmica con los precursores utilizados para la preparaci\u00f3n de la c\u00e9lula solar.<\/p>\n

Los investigadores estiman que este sistema tendr\u00e1 la capacidad de recolectar una energ\u00eda promedio de ~260 mJ\/d\u00eda incluso en condiciones de muy poca luz. Suponiendo un voltaje de entrada de 4 V (proporcionado por la c\u00e9lula solar), el condensador podr\u00e1 almacenar 0,3 mJ por capa. El almacenamiento de energ\u00eda del capacitor se puede ampliar bombeando la carga del voltaje de entrada a ~34 V (para lo cual se pueden almacenar 40 mJ con la carga completa del capacitor) y\/o usando un enfoque complejo de m\u00faltiples capas.<\/p>\n

Sistemas de generaci\u00f3n y almacenamiento de energ\u00eda<\/h2>\n

FOXES utilizar\u00e1 un recolector de energ\u00eda que utilizar\u00e1 una c\u00e9lula solar de perovskita sin plomo, que proporcionar\u00e1 una eficiencia energ\u00e9tica de >10% y generar\u00e1 energ\u00eda de >6 \u03bcW\/cm\u00b2 (condiciones de iluminaci\u00f3n interior, 400 lux), con un voltaje de salida de 4 V. Para desarrollar la c\u00e9lula solar, se utilizar\u00e1 un sistema de perovskita a base de esta\u00f1o (Sn), que proporciona una alta eficiencia, como FaSnI 3 con aditivos espec\u00edficos, como yoduro de guanidinio, SnF 2 y yoduro de etilendiamonio. De esta forma, se eliminar\u00eda la necesidad de utilizar plomo, un componente muy contaminante.<\/p>\n

\"C\u00e9lulas
Con el proceso de recristalizaci\u00f3n se obtendr\u00e1n cristales de perovskita m\u00e1s grandes, que ofrecer\u00e1n mayor estabilidad.<\/figcaption><\/figure>\n

En todos los sistemas activos se aplicar\u00e1 un proceso de recristalizaci\u00f3n dedicado mediante impresi\u00f3n t\u00e9rmica, con el que se pretende obtener cristales de perovskita m\u00e1s grandes, una calidad general mejorada del cristal con menos defectos y una recombinaci\u00f3n no radiativa reducida. Tambi\u00e9n se espera que los cristales m\u00e1s grandes proporcionen una estabilidad mejorada. Dependiendo del Voc de las subceldas (~ 1,4-0,5 V), se requiere una conexi\u00f3n en serie de 3-8 celdas para lograr el voltaje de funcionamiento de 4 V que necesita el condensador de pel\u00edcula delgada.<\/p>\n

Respecto al almacenamiento de energ\u00eda, se crear\u00e1 un condensador de pel\u00edcula delgada multicapa de perovskita sin plomo, con una densidad de energ\u00eda de 50 J\/cm\u00b3\u00a0y tendr\u00e1 una carga completa por capacitador de > 0,6 mJ (con un voltaje de entrada de 4 V).<\/p>\n

Asimismo, para aumentar la densidad de energ\u00eda recuperable es necesario romper el orden ferroel\u00e9ctrico de largo alcance mediante sustituci\u00f3n qu\u00edmica, de modo que los dominios polares est\u00e9n presentes s\u00f3lo en la nanoescala, produciendo un bucle de hist\u00e9resis delgado, espec\u00edficamente en sistemas relajantes (altamente dopados). Las composiciones en el cruce entre ferroel\u00e9ctrico y relajante ayudan a mantener una permitividad relativa alta (tambi\u00e9n necesaria para una alta densidad de energ\u00eda).<\/p>\n

\"Composici\u00f3n
En los materiales ferroel\u00e9ctricos, la mayor parte de la energ\u00eda almacenada se pierde debido a la disipaci\u00f3n (\u00e1rea naranja).\u00a0La densidad de energ\u00eda recuperable (\u00e1rea verde) es mayor en materiales relajantes, donde la correlaci\u00f3n ferroel\u00e9ctrica de largo alcance se ve alterada por la sustituci\u00f3n qu\u00edmica.<\/figcaption><\/figure>\n

FOXES desarrollar\u00e1 una tecnolog\u00eda para producir condensadores multicapa e integrarlos en el Power Cube. El objetivo es realizar un condensador de 2\u00d72 cm\u00b2 con dos capas que proporcione al menos 0,6 mJ de energ\u00eda almacenada mediante el voltaje de entrada de ~4 V, proporcionadas por las c\u00e9lulas de perovskita.<\/p>\n

Por \u00faltimo, el circuito de gesti\u00f3n de energ\u00eda (EMC) se encargar\u00e1 de garantizar el funcionamiento totalmente aut\u00f3nomo, desde el punto de vista energ\u00e9tico, del nodo de IoT, mediante un voltaje de carga constante, independientemente de las fluctuaciones del voltaje de la fuente y de la potencia requerida por el paquete IoT.<\/p>\n

El EMC inteligente propuesto se conectar\u00e1 al condensador de pel\u00edcula delgada y comprender\u00e1 un convertidor CC-CC de relaci\u00f3n m\u00faltiple y un controlador digital inteligente de voltaje ultrabajo. El convertidor de condensadores conmutados (SC) de relaci\u00f3n m\u00faltiple utilizar\u00e1 una estructura en serie-paralelo compuesta por varios condensadores volantes e interruptores (implementados con transistores simples o con t\u00e9cnicas de arranque). Para un funcionamiento adecuado, el dispositivo de almacenamiento de energ\u00eda debe soportar muchos ciclos de carga\/descarga sin degradarse.<\/p>\n

Pruebas del FOXES Power Cube<\/h2>\n

El proyecto FOXES tiene como objetivo demostrar que Power Cube puede proporcionar, de manera sostenible, una aplicaci\u00f3n de IoT completamente funcional que incluya todas las caracter\u00edsticas esperadas: detecci\u00f3n, actuaci\u00f3n, control, procesamiento y comunicaciones inal\u00e1mbricas.<\/p>\n

\"IoT
Diagrama de bloques del paquete IoT, que presenta todas las funcionalidades necesarias para los demostradores FOXES. Las flechas rojas indican flujo de energ\u00eda y las flechas negras indican flujo de se\u00f1al.<\/figcaption><\/figure>\n

Para ello, se ha seleccionado la detecci\u00f3n de gases ambientales, cuya aplicaci\u00f3n es una de las m\u00e1s desafiantes en t\u00e9rminos de presupuestos de energ\u00eda, debido a que este tipo de sensores funcionan bajo excitaci\u00f3n de calor o luz, ya que aplican actuadores que consumen mucha energ\u00eda (calentadores, fuentes de luz, etc.).<\/p>\n

El consorcio desarrollar\u00e1 su propio IoT Bundle, incluir\u00e1 un elemento sensor de gas y la electr\u00f3nica de control y comunicaci\u00f3n necesaria para realizar las pruebas.\u00a0En total, el nodo sensor tendr\u00e1 un consumo de energ\u00eda inferior a 50 \u00b5W por lectura.<\/p>\n

El paquete combinado Power Cube\u2013IoT se probar\u00e1 en el laboratorio frente a mezclas de gases durante condiciones de irradiaci\u00f3n variables para la c\u00e9lula fotovoltaica. Se probar\u00e1n varios esquemas de lectura de sensores para pronosticar el rendimiento del Power Cube en aplicaciones exigentes.<\/p>\n

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