A medida que el mundo se conecta cada vez más a través del Internet de las Cosas (IoT), los ingenieros y diseñadores de sistemas se enfrentan a un desafío creciente: cómo alimentar de manera confiable a los miles de millones de dispositivos distribuidos en fábricas, ciudades, oficinas e incluso en nuestros cuerpos. Las fuentes de energía tradicionales, como las baterías, pueden ser voluminosas, requerir reemplazos frecuentes y, a menudo, resultar insuficientes en entornos remotos o de difícil acceso.

Aquí es donde entra en juego la captación de energía (energy harvesting), un enfoque transformador que capta la energía ambiental del entorno y la convierte en energía eléctrica utilizable. Para los ingenieros eléctricos que adquieren componentes de distribuidores como OLC, y para los profesionales de compras responsables de la eficiencia de la cadena de suministro, comprender la captación de energía se está volviendo esencial. 

¿Qué es la Captación de Energía?

La captación de energía (también conocida como energy scavenging) es el proceso de captar y convertir pequeñas cantidades de energía provenientes de fuentes externas —como el calor, el movimiento, la luz o los campos electromagnéticos— en energía eléctrica. Estas fuentes de energía captadas pueden alimentar dispositivos electrónicos de ultra bajo consumo, como sensores IoT y transmisores inalámbricos, eliminando o minimizando la necesidad de baterías o alimentación por cable.

Si bien la energía generada suele ser pequeña, normalmente entre microvatios y unos pocos milivatios, con frecuencia resulta suficiente para las necesidades de los sistemas embebidos, especialmente cuando se combina con componentes energéticamente eficientes y soluciones inteligentes de almacenamiento de energía.

Ahora, exploremos algunas de las tecnologías de captación de energía más relevantes y cómo funcionan.

Generadores Termoeléctricos (TEG)

Cómo Funcionan

Los TEG funcionan según el efecto Seebeck, un principio de la termoelectricidad según el cual se genera una tensión entre dos conductores o semiconductores distintos cuando existe una diferencia de temperatura entre ellos. Básicamente, el calor fluye del lado caliente al lado frío del material, y los electrones se desplazan junto con él, generando potencial eléctrico.

Estos dispositivos consisten en una serie de materiales termoeléctricos dispuestos para maximizar la exposición al gradiente térmico. Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre ambos lados, mayor será la salida eléctrica. Por ello, la exposición al gradiente térmico deseada debe ser lo más pronunciada posible: lo más caliente posible en un lado y lo más frío posible en el otro. Dentro de lo razonable, por supuesto.

Aplicaciones y Relevancia

En entornos industriales, las máquinas y los equipos suelen generar calor excedente. En lugar de dejar que esta energía se disipe en el aire, los TEG pueden recuperar parte de ella y convertirla en energía para sistemas de monitoreo embebidos. De igual manera, en dispositivos wearables o médicos, los TEG pueden aprovechar la diferencia de temperatura entre la piel de una persona y el entorno para alimentar sensores, reduciendo la necesidad de cambiar baterías.

Para los ingenieros, esto implica buscar módulos TEG altamente eficientes e ICs de regulación de tensión capaces de funcionar con tensiones de entrada bajas y fluctuantes. Aunque no es común, una aplicación verdaderamente extraordinaria de los TEG se encuentra en el ámbito espacial, donde la desintegración radiactiva genera calor que alimenta satélites, sondas y róveres a través de un TEG. En su artículo «¿Qué es la captación de energía?», CircuitBread ofrece una excelente descripción general de los TEG y profundiza en cómo funcionan a nivel de semiconductor.

Captación de Energía Piezoeléctrica

Cómo Funciona

Los materiales piezoeléctricos generan electricidad cuando se someten a esfuerzo mecánico, como resultado de su estructura cristalina interna. Cuando estos materiales se doblan, comprimen o vibran, producen una tensión en su superficie.

Los captadores piezoeléctricos se utilizan típicamente en entornos donde las vibraciones o los movimientos mecánicos son comunes. Pueden integrarse en suelas de zapatos, carreteras, puentes o equipos industriales. Entre los materiales más utilizados se encuentran el cuarzo, el PZT (titanato zirconato de plomo) y los polímeros flexibles más recientes.

Aplicaciones y Relevancia

Imagine un puente inteligente capaz de monitorear su salud estructural mediante sensores integrados. En lugar de instalar líneas eléctricas o reemplazar baterías constantemente, los dispositivos piezoeléctricos pueden captar energía de las vibraciones naturales causadas por el tráfico. En la tecnología wearable, cada paso que das podría generar energía. Aunque la cantidad de energía generada podría no ser grande, sería suficiente para mantener la carga de un reloj u otro dispositivo pequeño.

Nanogeneradores Triboeléctricos (TENG)

Cómo Funcionan

Los TENG se basan en el efecto triboeléctrico, mediante el cual los materiales se cargan eléctricamente después de entrar en contacto por fricción con un material diferente. Cuando dos superficies se tocan y se separan repetidamente, como en el roce de tejidos o el movimiento de la piel, las cargas se acumulan y generan una tensión. Curiosamente, aunque hemos estado familiarizados con el efecto triboeléctrico durante siglos, todavía existe debate sobre los detalles subyacentes de su funcionamiento. ¡Al menos por ahora!

A diferencia de los materiales piezoeléctricos, los TENG pueden fabricarse con una variedad más amplia de materiales, incluidos polímeros comunes. Esta flexibilidad los hace ideales para dispositivos wearables y textiles.

Aplicaciones y Relevancia

Los captadores triboeléctricos se están explorando para wearables de próxima generación que se autoalimentan por completo mediante el movimiento humano. Desde prendas que monitorean signos vitales hasta superficies que detectan cambios ambientales, los TENG podrían ayudar a desbloquear paradigmas de diseño completamente nuevos.

Captación de Energía por RF

Cómo Funciona

La captación de energía por RF capta energía de las ondas electromagnéticas ambientales, como las emitidas por routers Wi-Fi, torres de telefonía celular o incluso transmisiones de televisión. Un captador de RF utiliza una antena para recolectar las ondas electromagnéticas, que luego se convierten en tensión de CC mediante un circuito rectificador.

La salida suele ser bastante baja, incluso menor que la de las otras tecnologías ya mencionadas. Pero para aplicaciones de ultra bajo consumo, incluso pequeñas cantidades de energía pueden ser suficientes para cargar un capacitor y operar un dispositivo de forma intermitente.

Aplicaciones y Relevancia

Uno de los ejemplos más interesantes proviene de las etiquetas RFID, que captan energía de las señales de RF circundantes. Estas etiquetas pueden integrarse en el embalaje para rastrear la frescura, ubicación o temperatura del producto en tiempo real. Se ven aún más en acción en las cada vez más omnipresentes tarjetas de identificación, generalmente utilizadas en aplicaciones de seguridad.

Conclusión: Un Catalizador para el Futuro

La captación de energía está lista para revolucionar la forma en que concebimos la alimentación eléctrica en la electrónica. Desde dispositivos wearables y sensores remotos hasta la automatización industrial y el empaquetado inteligente, está permitiendo la creación de nuevos productos más pequeños, más inteligentes y más sostenibles.

Tanto para ingenieros como para compradores, asociarse con un distribuidor que comprenda todo el ecosistema de la captación de energía, desde los materiales hasta la gestión de energía y el almacenamiento, será clave para lograr una implementación exitosa. Al final del día, la energía está ahí fuera. Solo tenemos que captarla.