Reducción de la dependencia de la energía de la batería en el hogar conectado

Energía. Todas las innovaciones electrónicas que usamos todos los días serían trozos inútiles de silicio, plástico y metal sin él. Las recientes innovaciones en torno al Internet de las cosas no son una excepción. Cada dispositivo conectado, ya sea un monitor de fitness en la muñeca, una cerradura electrónica de puerta conectada o un sensor ultrasónico en una pieza de maquinaria industrial depende de la energía para funcionar y conectarse con el resto del mundo. A medida que el Internet de las cosas se vuelve más generalizado en nuestras vidas, la administración y entrega de energía se convierte en un desafío cada vez mayor. Por supuesto, ha habido grandes avances en la creación de microprocesadores que absorben energía y componentes que usan energía medida en microvatios, pero aún la necesitan. Los modos de suspensión se habilitan regularmente en los dispositivos del Internet de las cosas para apagarlos, de modo que consuman cantidades apenas medibles de energía, pero aún la necesitan.  

A pesar de todos los avances tecnológicos de los últimos tiempos, nadie ha desarrollado una fuente de energía perpetua, por lo que la entrega de energía está cerca de la cima de los desafíos de los diseñadores. En algunos casos en los que una fuente de alimentación externa conveniente está fácilmente disponible, como en maquinaria industrial, equipos de procesamiento o incluso detectores de humo en hogares más nuevos, eso simplemente significa cablear el dispositivo a la fuente de alimentación utilizando cualquier multitud de opciones de conectores separables o cables de conexión rápida en terminaciones. En los casos en que una fuente de energía no está disponible, el diseñador está prácticamente relegado a usar baterías para obtener energía o utilizar dispositivos de recolección de energía como células fotovoltaicas o microgeneradores electrocinéticos.  

Las baterías siguen siendo el estándar de energía de facto para la mayoría de los dispositivos electrónicos inalámbricos. Estos dispositivos alimentados por batería ahora son omnipresentes en nuestras vidas y continuarán expandiéndose a medida que los dispositivos conectados aumenten su presencia en nuestra vida cotidiana. Los desafíos que enfrenta un diseñador de productos de estos diseños también crecerán correspondientemente. El diseñador necesita equilibrar el tamaño de la batería o baterías con la potencia que deben proporcionar y su vida útil anticipada. Esta no es una tarea fácil o trivial, pero proporciona al diseñador del Internet de las cosas una fuente de energía estable y de factor de forma fijo y una amplia gama de diferentes tamaños y opciones de integración. Su disponibilidad global y tamaños estándar significan que casi todos los consumidores están muy familiarizados con su uso y reemplazo, ya sea una pequeña celda de botón LR1154 o una batería cilíndrica AA (IEC R6). Independientemente de la batería seleccionada, el diseñador tiene varias opciones de conectores diferentes disponibles para simplificar el montaje, la puesta en marcha y el posterior reemplazo de la batería.

Echa una mirada a todos los dispositivos en un hogar típico y podrás ver cuán generalizada se ha vuelto la energía de la batería. En aplicaciones como nuestros teléfonos celulares, nos hemos acostumbrado a enchufarlos al final del día para mantener las baterías recargables llenas. No podemos imaginar un televisor sin un control remoto alimentado por un par de pilas AA desechables. Todo, desde nuestras linternas hasta los controladores de juegos, depende de las baterías para funcionar. Los dispositivos críticos para la vida, como los detectores de humo, nos mantienen seguros en nuestros hogares y nos recuerdan una batería defectuosa por un molesto “chirrido” que nos obliga a reemplazar la batería. Al final, lo que esto significa es que para alimentar todos estos dispositivos, cada hogar tiene un alijo de baterías de reemplazo almacenadas en algún lugar, que nunca se encuentran cuando realmente se necesitan. A menos que las nuevas ideas sobre la potencia de los dispositivos sean ampliamente adoptadas o desarrolladas, el aumento de los dispositivos de automatización del hogar aumentará drásticamente la cantidad de baterías requeridas en el hogar conectado.

La mayoría de los dispositivos nuevos son inalámbricos.  Estos van desde el pequeño sensor de ocupación que cuelga en una pared hasta interruptores inalámbricos y llaveros hasta cerraduras electrónicas de puertas. En algunas aplicaciones, como interruptores y llaveros, la duración de la batería es bastante impresionante, a menudo alcanzando los 5 años o más en baterías de botón a base de litio. En otras aplicaciones con altos consumos de corriente, como cerraduras electrónicas de puertas y válvulas remotas, la duración práctica de la batería se mide en meses en lugar de años. Debido a razones prácticas y estéticas, estas últimas aplicaciones limitan los tipos y la cantidad de baterías que se pueden utilizar. En el caso de la cerradura de la puerta, nadie compraría ni estaría contento con una cerradura de puerta que requiere cuatro baterías de tamaño D (LR20) para proporcionar una vida útil de cinco años, por lo que el diseñador debe equilibrar los aspectos prácticos del diseño con una duración de batería aceptable. El acuerdo generalmente significa un paquete de cuatro a ocho baterías AA para alimentar la cerradura hasta por un año hasta que necesiten reemplazo. La mayoría de los propietarios probablemente no se quejen demasiado de reemplazar las baterías de la cerradura de la puerta una vez al año, aunque en algunos casos, llegar a las baterías a menudo implica un desmontaje de la cerradura. Los propietarios ya están acostumbrados a reemplazar las baterías de sus detectores de humo anualmente, por lo que no es gran cosa reemplazar algunas más en las cerraduras de las puertas, ¿cierto? Bueno, tal vez sea más que esto. ¿Qué pasa si el propietario no es un solo propietario de una casa, sino un administrador de apartamentos de gran altura con cientos de unidades o un administrador de instalaciones para un campus universitario con miles de dormitorios con cerraduras electrónicas? De repente, la simple cuestión de reemplazar las baterías en una cerradura de la puerta se convierte en una tarea muy desalentadora, costosa y laboriosa.

Continuando con el tema de las cerraduras electrónicas de las puertas, eliminar o minimizar el tamaño y número de baterías podría tener efectos de amplio alcance. De repente, el tamaño de la cerradura puede reducirse significativamente ya que el conjunto de cerraduras ya no necesita acomodar un paquete de baterías voluminoso y resulta en un diseño mucho más estético. En un complejo de apartamentos de 1000 unidades con cerraduras electrónicas y un ciclo de reemplazo de un año, el costo de propiedad de diez años de estas cerraduras electrónicas se acerca a $50,000 por lo que existe un potencial de ahorro significativo de costos para una solución para reemplazar las baterías en estas cerraduras. El desafío radica en la naturaleza de las cerraduras electrónicas de las puertas. Los circuitos electrónicos se pueden hacer para absorber energía de una manera similar a los llaveros o módulos de sensores que se encuentran en los hogares. Son los pequeños motores o solenoides utilizados para activar las cerraduras los que consumen una corriente significativa durante la activación y dan como resultado el mayor consumo de baterías.

El uso de técnicas de energía inalámbrica para alimentar una cerradura de puerta tiene sentido no solo desde el punto de vista del costo del ciclo de vida, sino probablemente también desde el punto de vista ecológico. Al utilizar las estadísticas de la industria sobre la base global instalada de cerraduras electrónicas de puertas y su crecimiento esperado en los próximos diez años, salen a la luz algunos números sorprendentes. Dada la necesidad de reemplazar 4 baterías en cada cerradura cada año, resultará en más de 1.1 mil millones de libras de baterías AA depositadas en vertederos durante los próximos diez años. Este es el peso combinado de cinco portaaviones de la clase Nimitz de EE. UU. o 287,500 automóviles de tamaño completo. No hay desacuerdo, esta es una cantidad asombrosa y cuando se combina con el impacto ecológico de la fabricación de estas baterías, se convierte en una preocupación ecológica significativa. Al agregar energía inalámbrica a las cerraduras de las puertas, se elimina la necesidad de usar incluso una pequeña cantidad de baterías desechables y podría proporcionar importantes ventajas económicas y ecológicas. A medida que continuamos por el camino hacia hogares y edificios más automatizados, los diseñadores de dispositivos conectados para el hogar deben considerar todas las opciones disponibles para la energía, que pueden no ser necesariamente las más convenientes para diseñar. Los diseñadores deben considerar cuidadosamente las opciones de energía alternativa, al principio de su proceso de diseño, antes de usar baterías de forma predeterminada. El resultado, para todos nosotros, serán productos mejor diseñados, con ciclos de vida más largos, que son más fáciles y más rentables de mantener, al tiempo que mejoran el nivel de conveniencia para los que fueron desarrollados. Después de todo, a ninguno de nosotros nos gustaría que fuera arrojado a nuestros patios traseros ni siquiera un carguero de baterías desechables.