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Universidad de Costa Rica
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Eléctrica
IE – 0502 Proyecto Eléctrico
ANÁLISIS DE LA TECNOLOGÍA PARA LA
TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
MEDIANTE EL FENÓMENO DE RESONANCIA
ENTRE OBJETOS
Por:
JOSÉ ALONSO MONTIEL CUBILLO
Ciudad Universitaria Rodrigo Facio
DICIEMBRE del 2011
iii
“ANÁLISIS DE LA TECNOLOGÍA PARA LA
TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
MEDIANTE EL FENÓMENO DE RESONANCIA
ENTRE OBJETOS”
Por:
JOSÉ ALONSO MONTIEL CUBILLO
Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica
de la Facultad de Ingeniería
de la Universidad de Costa Rica
como requisito parcial para optar por el grado de:
BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA
Aprobado por el Tribunal:
_________________________________
Ing. ÁLVARO PEÑARANDA CONTRERAS
Profesor Guía
_________________________________ _________________________________
Ing. FABIÁN ABARCA Ing. NATALIA VEGA CASTRO
Profesor lector Profesor lector
iv
DEDICATORIA
A mis padres Marlen Cubillo y Alfredo Montiel, por sus esfuerzos diarios y los
valores que me inculcaron desde mi niñez, para nunca claudicar ante la adversidad, son mi
modelo a seguir.
A mis hermanas Nora y Valeria, que siempre me han apoyado y que me han
regalado su amor en todo momento.
A mis familiares que son uno de los pilares más importantes en mi vida.
A todos mis amigos y compañeros, que han recorrido este camino en la universidad
junto a mí, en especial aLizbeth yAna.
A todos mis profesores y aquellos que han participado en mi educación.
A Dios por bendecirme con tener a todas estas personas a mí alrededor, sin ellas,
sería imposible lograr mis metas.
v
RECONOCIMIENTOS
A mis profesores guía y lectores, en la realización de este proyecto, al mostrar
interés en este tema, dedicarle de su tiempo y guiarme en su elaboración.
vi
ÍNDICE GENERAL
1. CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN ....................................................... 1
1.1 Objetivos ................................................................................................. 2
1.2 Objetivo general ........................................................................................................ 2
1.1.2 Objetivos específicos ..................................................................................... 2
1.3 Metodología ............................................................................................ 3
2 CAPÍTULO 2: DESARROLLO TEÓRICO ....................................... 4
2.1 La Energía Eléctrica .............................................................................. 4
2.1.1 Producción de electricidad ............................................................. 5
2.2 Magnetismo ............................................................................................ 5
2.3 Electromagnetismo ................................................................................ 7
2.4 Inducción Magnética ............................................................................. 7
2.4.1 Ley de Faraday - Lenz .................................................................... 7
2.5 Inductancia Mutua ................................................................................ 8
2.6 Ley de Ampere ....................................................................................... 9
2.7 Resonancia ............................................................................................ 10
2.8 Acople de Resonancia Magnética ....................................................... 11
vii
3 Capítulo 3 .............................................................................................. 12
3.1 Witricity ................................................................................................ 12
3.1 Antecedentes ......................................................................................... 14
3.1.1 Nikola Tesla ................................................................................... 14
3.1.2 La torre Wardenclyffe .................................................................. 15
3.2 Diferencias con otras tecnologías ....................................................... 16
3.2.1 Inducción magnética tradicional ................................................. 16
3.2.2 Transferencia de energía radiactiva. .......................................... 17
3.2.3 Imágenes por resonancia magnética (MRI). .............................. 19
3.2.4 La visión de Tesla de un mundo inalámbrico ............................ 20
3.3 Aplicaciones .......................................................................................... 21
3.3.1 Electrónica de Consumo ............................................................... 22
3.3.2 Industria ......................................................................................... 22
3.3.3 Transporte ..................................................................................... 23
3.3.4 Otras Aplicaciones ........................................................................ 23
3.4 Eficiencia ............................................................................................... 24
3.5 Alcance .................................................................................................. 25
3.6 Efectos Sobre el Ambiente y La Salud Humana ............................... 25
viii
3.7 Capacidad de Alimentación de los diseños ........................................ 27
3.8 Diseño Experimental ............................................................................ 28
3.8.1 Experimento en MIT .................................................................... 28
3.8.2 Implementación experimental ..................................................... 31
CAPÍTULO 4: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................ 36
4.1 Conclusiones ......................................................................................... 36
4.2 Recomendaciones ................................................................................. 38
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................ 39
APÉNDICES ................................................................................................... 41
ANEXOS ......................................................................................................... 42
Anexo 1 ............................................................................................................ 42
ix
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 Inductancia mutua entre dos embobinados con inductancias L1 y L2.[4]
................. 9
Figura 2 Representación de la Ley de Ampere para un alambre conductor infinito.[9]
........ 10
Figura 3 Acople magnético entre dos bobinas resonantes.[2]
................................................ 11
Figura 4 Intercambio de energía eléctrica entre receptor y emisor WiTricity.[2]
.................. 13
Figura 5: Torre Wardenclyffe.[6]
........................................................................................... 16
Figura 6: Experimento en el MIT sobre Witricity con obstaculos entre la bobina receptora y
la emisora. [13]
....................................................................................................................... 29
Figura 7: Experimento en el MIT sobre Witricity sin obstaculos entre la bobina receptora y
la emisora. [13]
....................................................................................................................... 30
Figura 8: Diseño esquemático de los circuitos emisor y receptor. ....................................... 31
Figura 9: Bobinas elaboradas de manera manual utilizadas en los circuitos emisor y
receptor. ................................................................................................................................ 33
Figura 10: Implementación de los circuitos receptor y emisor en una misma protoboard. .. 34
x
NOMENCLATURA
μ0 = Constante de permeabilidad magnética.
i = Intensidad de la corriente.
B = Campo magnético.
dl = Diferencial de longitud del circuito que se toma alrededor del conductor.
θ = Angulo formado con el diferencial de longitud.
V = Fuerza electromotriz inducida.
dB = Derivada de intensidad de campo magnético.
dT = Derivada del tiempo en segundos.
FEM = Fuerza Electromotriz.
MRI = Imágenes por Resonancia Magnética.
RM = Resonancia Magnética.
OEM: Original Equipment Manufacturer (Fabricante Original de Equipo).
Wi-fi: Wireless Fidelity (Fidelidad inalámbrica).
MIT: Massachusetts Institute of Technology (Instituto Tecnológico de Massachusetts).
f0: Frecuencia de resonancia natural en Hertz.
fe: Frecuencia de resonancia natural circuito emisor.
fr: Frecuencia de resonancia natural circuito receptor.
FBI: Federal Bureau of Investigation (Buró Federal de Investigación).
Hz: Hertz.
xi
RESUMEN
El presente proyecto desarrolla los principios físicos que permiten la transferencia de
energía eléctrica mediante la fuerte resonancia magnética entre objetos, para esto se escogió
la tecnología desarrollada por ingenieros y físicos del Instituto Tecnológico de
Massachusetts llamada Witricity.
Entre los puntos más relevantes abarcados en el trabajo se encuentran, los antecedentes,
la eficiencia de la tecnología, sus posibles aplicaciones, consecuencias a la salud humana y
para la naturaleza, alcance y diseños experimentales.
La metodología utilizada en su mayoría es bibliográfica, principalmente enfocada hacia
los fundamentos postulados por los desarrolladores de la tecnología Witricity.
Se recomienda para futuras implementaciones la utilización de elementos electrónicos
de la mejor calidad posible, que sean capaces de soportar temperaturas y potencias altas.
Deseando que dichos componentes sean superiores a los que usualmente se utilizarían en
las prácticas de laboratorio de electrónica, de los cursos Laboratorio Eléctrico I y II;
contemplando incluso la compra de dichos elementos fuera de Costa Rica.
1
1. CAPÍTULO 1: Introducción
Cada día lastareas cotidianas dependen más de dispositivos eléctricos que necesitan una
fuente de alimentación eléctrica, indispensable para su funcionamiento, éstas a su vez,
necesitan de conductores para transferir dicha energía, lo cual se vuelve en un problema
desde el punto de vista estético y funcional, al tener oficinas y viviendas repletas de cables,
por ejemplo, los cargadores de celulares y computadoras, electrodomésticos e iluminación.
Una alternativa a la utilización de cables es WiTricity, la cual consiste en la transmisión
de energía eléctrica de manera inalámbrica, mediante un fenómeno descubierto por Nikola
Tesla, hace más de un siglo, dicho fenómeno es básicamente la transmisión de energía entre
objetos resonantes. Esto permitiría alimentar dispositivos eléctricos de manera inalámbrica,
sin la necesidad de utilizar cables. Por tanto, se podría tener computadoras y celulares
siempre a plena carga, o incluso, sin la necesidad de poseer baterías para almacenar
energía, ya que serían alimentados en todo momento de manera inalámbrica.
Por este motivo, es importante poseer los conocimientos que hacen posible el desarrollo
de esta tecnología, sus efectos sobre la salud humana, el impacto que podría provocar en el
ambiente, y las posibles mejoras a los diseños que en estos momentos existen.
2
1.1 Objetivos
1.2 Objetivo general
Realizar un estudio sobre la tecnología que hace posible la transmisión de energía
eléctrica sin la utilización de conductores eléctricos, explicar su funcionamiento y
características más relevantes.
1.1.2 Objetivos específicos
Explicar el funcionamiento de los dispositivos que hacen posible la transmisión de
energía eléctrica sin la utilización de conductores.
Establecer las características en cuanto a diseño se refiere, que hacen posible su
funcionamiento.
Analizar la eficiencia de esta tecnología.
Determinar el impacto que sufre el medio ambiente con la utilización de estos
dispositivos.
Determinar la influencia sobre salud humana debido a la utilización de estos
dispositivos.
Establecer las áreas de la ingeniería eléctrica donde se podría utilizar la transmisión
de energía eléctrica sin conductores.
3
1.3 Metodología
La metodología a utilizar en este proyecto de graduación se basará en las siguientes
actividades.
Se elabora un estudio bibliográfico a fin de tener una base teórica, indispensable
para sustentar la investigación.
Se analiza la información obtenida en el estudio bibliográfico con el fin de
determinar los aspectos más relevantes sobre el tema a desarrollar, y con esto poder
estudiar diseños existentes y proponer alguna mejora.
Se identifica las áreas de la ingeniería en las cuales está tecnología se podría aplicar,
de tal manera que sea tomada como una mejora significativa, en dichas áreas.
Se realiza reuniones periódicas tanto con el profesor guía como con los profesores
lectores con el fin de aclarar dudas y discutir temas pertinentes a la confección del
proyecto, así también como el aporte de nuevas ideas.
4
2 CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico
Es importante, antes de iniciar el desarrollo del tema de Witricity, definir algunos
conceptos básicos que permiten su funcionamiento.
2.1 La Energía Eléctrica
Es una de las formas de manifestarse la energía. Tiene como cualidades la docilidad
en su control, la fácil y limpia transformación de energía en trabajo, y el rápido y eficaz
transporte, estas cualidades permiten a la electricidad ser "casi" lo energía perfecta.
Los fundamentos físicos de la electricidad se explican a partir del modelo atómico.
La materia está compuesta por un conjunto de partículas elementales: electrones, protones y
neutrones. Cuando un átomo tiene el mismo número de protones (cargas positivas) que de
electrones (cargas negativas) es eléctricamente neutro. Es decir, la electricidad no se
manifiesta, ya que las cargas de diferente signo se neutralizan.
Los electrones de las capas más alejadas del núcleo, sobre todo de los átomos
metálicos, tienen cierta facilidad para desprenderse. Cuando un átomo pierde electrones
queda cargado positivamente y si, por el contrario, captura electrones, entonces queda
cargado negativamente. Este es el principio por el que algunos cuerpos adquieren carga
negativa (hay más electrones que protones) o adquieren carga positiva (hay más protones
que electrones). Un cuerpo con carga negativa tiene predisposición a ceder electrones y un
cuerpo con carga positiva tiene tendencia a capturarlos. Por lo tanto, cuando se comunican
dos cuerpos con cargas eléctricas distintas, mediante un material conductor de la
5
electricidad, fluye una corriente eléctrica que no es otra cosa que la circulación de
electrones. Por lo tanto, la corriente eléctrica circula desde el cuerpo cargado negativamente
hacia el cuerpo positivo.
2.1.1 Producción de electricidad
Para que se produzca una corriente eléctrica es necesario que exista una diferencia
de potencial o tensión eléctrica entre dos puntos. Dicha diferencia se puede conseguir por
distintos procedimientos, para efectos de este trabajo nos interesa el método de inducción.
Si se desplaza un conductor eléctrico en el interior de un campo magnético, aparece una
diferencia de potencial en los extremos del mismo. Los generadores industriales de
electricidad están basados en esta propiedad electromagnética.
2.2 Magnetismo
Desde tiempos remotos el hombre se dio cuenta de que el mineral magnetita o imán
(un óxido de hierro) tenía la propiedad peculiar de atraer el hierro. Tanto Tales de Mileto
como Platón y Sócrates escribieron acerca de este hecho.
En el periodo comprendido entre los años 1.000 - 1.200 d.C. se hizo la primera
aplicación práctica del imán. Un matemático chino, Shen Kua (1.030-1.090) fue el primero
que escribió acerca del uso de una aguja magnética para indicar direcciones, que fue el
antecedente de la brújula. Este instrumento se basa en el principio de que si se suspende un
6
imán en forma de aguja, de tal manera que pueda girar libremente, uno de sus extremos
siempre apuntará hacia el norte.
Más tarde, después del año 1.100, Chu Yu informó que la brújula se utilizaba
también para la navegación entre Cantón y Sumatra.
La primera mención europea acerca de la brújula fue dada por un inglés, Alexander
Neckham (1.157-1.217). Hacia 1.269 petrus Peregrinus de Maricourt, un cruzado francés,
hizo una descripción detallada de la brújula corno instrumento de navegación.
En el año 1.600 el inglés William Gilbert (1.544 – 1.603), médico de la reina Isabel
I, publicó un famoso tratado, De magnete, en el que compendió el conocimiento que se
tenía en su época sobre los fenómenos magnéticos. Analizó las diferentes posiciones de la
brújula y propuso que la Tierra es un enorme imán, lo que constituyó su gran contribución.
De esta forma pudo explicar la atracción que ejerce el polo norte sobre el extremo de una
aguja imantada. Asimismo, Gilbert se dio cuenta de que cada imán tiene dos polos, el norte
(N) y el sur (S), que se dirigen hacia los respectivos polos terrestres. Descubrió que polos
iguales se repelen, mientras que polos distintos se atraen, y que si un imán se calienta
pierde sus propiedades magnéticas, las cuales vuelve a recuperar si se le enfría a la
temperaturaambiente.
El científico francés Coulomb, que había medido las fuerzas entre caras eléctricas,
midió con su balanza las fuerzas entre los polos de dos imanes. Descubrió que la magnitud
7
de esta fuerza varía con la distancia entre los polos. Mientras mayor sea la distancia, menor
es la fuerza.
2.3 Electromagnetismo
El electromagnetismo es un término utilizado para denotar la dependencia entre un
campo magnético variante en el tiempo y uno eléctrico también variante en el tiempo. Por
tanto un campo eléctrico variante en el tiempo produce un campo magnético variante en el
tiempo y viceversa.
2.4 Inducción Magnética
2.4.1 Ley de Faraday - Lenz
Los experimentos llevados a cabo por Michael Faraday en Inglaterra en 1831 e
independientemente por Joseph Henry en los Estados Unidos en el mismo año, demostraron
que una corriente eléctrica podría ser inducida en un circuito por un campo magnético
variable. Los resultados de estos experimentos produjeron una muy básica e importante
ley de electromagnetismo conocida como Ley de Inducción de Faraday. Esta ley dice que
la magnitud de la FEM inducida en un circuito es igual a la razón de cambio de flujo
magnético a través del circuito.
Una FEM inducida puede producirse de varias formas. Por ejemplo, una fem
inducida y una corriente inducida pueden producirse en una espira de alambre cerrada
cuando el alambre se mueve dentro de un campo magnético.
8
Con el estudio de la ley de Faraday, se completa la introducción a las leyes
fundamentales del electromagnetismo. Estas leyes pueden resumirse en un conjunto de
cuatro ecuaciones llamadas ecuaciones de Maxwell. Junto con la ley de la fuerza de
Lorentz, representan una teoría completa para la descripción de las interacciones de objetos
cargados. Las ecuaciones de Maxwell relacionan los campos eléctricos y magnéticos y sus
fuentes fundamentales es decir, las cargas eléctricas.
(1)
2.5 Inductancia Mutua
Cuando movemos un imán permanente por el interior de una bobina solenoide
formada por un enrollado de alambre de cobre con núcleo de aire, el campo magnético del
imán provoca en las espiras del alambre la aparición de una fuerza electromotriz (FEM) o
flujo de corriente de electrones. Este fenómeno se conoce como “inducción magnética.
9
Figura 1 Inductancia mutua entre dos embobinados con inductancias L1 y L2. [3]
2.6 Ley de Ampere
La Ley de Ampere relaciona una intensidad de corriente eléctrica con el campo
magnético que ésta produce. Se utiliza en conductores considerados teóricamente de
longitud infinita, por ejemplo para calcular el campo alrededor de un conductor rectilíneo.
(2)
(3)
10
Figura 2 Representación de la Ley de Ampere para un alambre conductor infinito. [7]
2.7 Resonancia
La resonancia está presente en todos los cuerpos, y es un fenómeno físico debido al
cual dichos cuerpos tienden a vibrar a una cierta frecuencia cuando se les excita de manera
externa. Esta frecuencia de resonancia es propia de cada cuerpo, de acuerdo a su forma,
masa y elasticidad. Cuando se excita un cuerpo a la frecuencia a la que este vibra, se le
conoce como frecuencia de resonancia natural.
Cuando se hace vibrar un objeto a su frecuencia de resonancia natural, esta
vibración presenta un mayor y más eficiente intercambio de energía entre el agente que
produce la excitación y el objeto, por tanto, la amplitud y potencia de la onda es mucho
mayor. Este concepto es aplicable a muchos tipos de resonancia por ejemplo, la acústica, la
mecánica, la electromagnética, entre otras.
11
Un ejemplo clásico de resonancia, en este caso acústica, es cuando se tienen una
cantidad de copas que contienen vino en diferentes proporciones, dichas copas se
encuentran en un teatro en el cual se está llevando a cabo una ópera. Cuando el cantante
entona cierta nota musical, la cual se encuentra a una frecuencia dada, y esta coincide con
la frecuencia de resonancia natural de una de las copas, se produce un intercambio
energético con un alto grado de eficiencia, lo que puede llevar a romper la copa que se
encontraba vibrando, esto sin observarse ningún efecto en el resto de las copas.
2.8 Acople de Resonancia Magnética
El acople magnético ocurre cuando dos objetos intercambian energía a través de un
campo magnético variante u oscilante. El acople por resonancia ocurre cuando la frecuencia
de resonancia natural de dos objetos es prácticamente la misma.
Figura 3 Acople magnético entre dos bobinas resonantes. [1]
12
En la figura adjunta 3, dos bobinas mostradas en amarillo, están resonando
magnéticamente de manera ideal. Los colores azul y rojo muestran los campos magnéticos
alrededor de dichas bobinas. Luego se puede observar la conexión entre los campos
magnéticos mediante la línea azul y las esferas amarillas claras.
3 Capítulo 3
3.1 Witricity
Witricity es el nombre de una marca desarrollada por un grupo de ingenieros
electrónicos y físicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts, esta tecnología de
transferencia de energía eléctrica inalambrica basa su funcionamiento en el acople
magnético resonante
Las fuentes y receptores Witricity deben estar especialmente diseñados para resonar
magnéticamente y transferir energía de manera eficiente a largas distancias a través de
campos magnéticos, distancias que son muchas veces el tamaño del objeto alimentado.
13
Figura 4 Intercambio de energía eléctrica entre receptor y emisor WiTricity. [1]
En la figura 4 el emisor Witricity de la izquierda está conectado a una fuente
eléctrica AC. Las líneas azules muestran los campos magnéticos inducidos por dicha
fuente. Las líneas amarillas representan el flujo de energía de la fuente a la bobina
receptora, la cual permite encender el bombillo amarillo. Es importante notar que es posible
la transferencia de energía rodeando obstáculos entre la fuente y el receptor.
14
3.1 Antecedentes
3.1.1 Nikola Tesla
Nikola Tesla nació el 10 de julio de 1856 en Smiljan, Lika, que era entonces parte
de la Austo-Húngaro, región de Croacia. Su padre, Milutin Tesla, era un sacerdote serbio
ortodoxo y su madre, Djuka Mandic, fue una inventora por derecho propio de los
electrodomésticos. Tesla estudió en la Realschule, Karlstadt en 1873, el Instituto
Politécnico de Graz, Austria y la Universidad de Praga. Al principio, tenía la intención de
especializarse en física y matemáticas, pero pronto quedó fascinado por la electricidad.
Comenzó su carrera como ingeniero eléctrico con una compañía telefónica en Budapest en
1881. Fue allí, donde la solución al fenómeno del campo magnético giratorio pasó por su
mente, cuando Tesla estaba caminando con un amigo a través del parque de la ciudad. Con
un palo, le dibujó un diagrama a su amigo en la arena, el cual explicaba el principio del
motor de inducción. Antes de ir a América, Tesla se incorporó a la Continental Edison
Company en París, donde diseñó dínamos. Mientras que en Estrasburgo, en 1883,
construyó en privado un prototipo del motor de inducción, el cual funcionó. Nosiéndole
posible a nadie en Europa promocionar este dispositivo radical en esos momentos, Tesla
aceptó una oferta para trabajar para Thomas Edison en Nueva York. Su sueño de niño era ir
a Estados Unidos para aprovechar el poder de las cataratas del Niágara. [4]
15
3.1.2 La torre Wardenclyffe
Uno de los inventos más importantes de Nikola Tesla fue el electrical transmitter
una torre situada en Shoreham, Long Island, Nueva York. Poco después de haber dejado
sus instalaciones de investigación en Colorado, volviendo a Nueva York. Tesla comenzó la
construcción de una versión gigante de su invención, que sería conocida como la torre
Wardenclyffe. Construida entre 1900 y 1905, la torre medía 187 pies de alto y una cúpula
metálica de 68 pies. El propósito de la torre era poder transmitir mensajes sin cables a
través del Atlántico, y como le había contado a quien financiaba su proyecto,J.P.
Morgan,proporcionar energía libre al mundo entero.
El planeta tierra puede ser rellenado con electricidad, y cualquiera en su corteza
puede extraerla, con la simplicidad de poner un cable en la tierra. Esta energía puede ser
recuperada en cantidades ilimitadas, para el uso de cualquiera, en este mundo.
La torre Wardenclyffe nunca se acabó. Morgan se negó a dar a Tesla los fondos
necesarios para concluir la construcción, y este no consiguió encontrar una financiación
alternativa. La torre de Wardenclyffe fue finalmente desmantelada bajo la supervisión del
F.B.I.
16
Figura 5:Torre Wardenclyffe. [5]
3.2 Diferencias con otras tecnologías
3.2.1 Inducción magnética tradicional
A primera vista, la tecnología WiTricity para transferir la energía parece ser la
inducción magnética tradicional, como se utiliza en transformadores de potencia, donde las
bobinas conductoras trasmiten potencia entre sí de forma inalámbrica, a través de distancias
muy cortas. En un transformador, una corriente eléctrica en una bobina de envío (o
"bobinado primario") induce otra corriente en una bobina receptora (o "secundario"). Las
dos bobinas deben estar muy próximas entre sí, y pueden superponerse incluso, pero las
17
bobinas no pueden hacer contacto eléctrico directo entre sí. Sin embargo, la eficacia del
intercambio de energía en los sistemas tradicionales de inducción magnética se reduce en
órdenes de magnitud cuando la distancia entre las bobinas se hace más grande que su
tamaño. Además de los transformadores eléctricos, otros dispositivos basados en la
inducción magnética recargable tradicional que incluye cepillos de dientes eléctricos,
requieren que el objeto que se está cargando deba ser colocado directamente sobre o muy
cerca de la base o plataforma de suministro de energía. .
La eficiencia de intercambio de poder de algunos sistemas de inducción se mejora
mediante la utilización de circuitos resonantes. Estas llamadas técnicas de inducción
resonante mejorada se utilizan en ciertos implantes médicos y de alta frecuencia RFID, por
ejemplo. Sin embargo, el fundador del equipo técnico WiTricity fue el primero en descubrir
que empleando los resonadores magnéticos, se podría lograr un fuerte acoplamiento y el
intercambio de alta eficiencia energética a través de distancias mucho más grandes que el
tamaño de las bobinas de resonancia, distancias muy grandes en comparación con los
esquemas tradicionales.
3.2.2 Transferencia de energía radiactiva.
La Tecnología WiTricity para transferir energía no es radiactiva y se basa en el
campo cercano de acoplamiento magnético. Muchas otras técnicas para la transferencia
inalámbrica de energía se basan en técnicas de radiación, ya sea de emisión o de haz
estrecho (radiación dirigida) la transmisión de radio, o las ondas de luz.
18
La radiación transmitida de energía de radiofrecuencia se utiliza comúnmente para
la transferencia de información inalámbrica, porque la información puede ser transmitida a
través de una amplia zona a varios usuarios. La potencia recibida por cada receptor de radio
o inalámbrico es muy pequeña, y debe ser amplificada en una unidad receptora mediante la
utilización de una fuente de alimentación externa. Debido a que la gran mayoría de la
potencia irradiada se pierde en el espacio libre, la radio es considerada como un medio poco
eficaz de transferencia de energía. Es importante tener en cuenta que mientras más energía
se suministre al receptor, aumentando la potencia de los transmisores en estos sistemas, se
puede llegar a niveles de alta potencia que pueden ser peligrosos y pueden además interferir
con otros dispositivos de radio frecuencia.
La radiación dirigida, utilizando antenas direccionales, es otro medio de transmisión
de radio para uso de la energía de una fuente a un receptor. Sin embargo, dirigida por la
radiación de microondas en particular, la radiación puede interactuar fuertemente con los
organismos vivos y ciertos objetos metálicos. Tales métodos de transferencia de energía
pueden presentar riesgos de seguridad a las personas u objetos que obstruyan la línea de
visión directa entre el transmisor y el receptor. Estas limitaciones hacen que la transmisión
de radio dirigida no sea viable para la entrega de importantes niveles de energía inalámbrica
en un consumidor particular o industrial. De hecho, existen investigadores militares que
están explorando el uso de sistemas de energía dirigida para suministrar dosis letales de
radiación a objetivos en el espacio y en el campo de batalla.
19
Además de las ondas de radio, las ondas de luz visible e invisible también se pueden
utilizar para la transferencia de energía. El sol es una excelente fuente de radiación de
energía en forma de luz, por lo que empresas y academias trabajan para desarrollar nuevas
tecnologías fotovoltaicas para convertir la luz solar en energía eléctrica. Un rayo láser es
una forma de radiación de la luz dirigida, en el que las ondas de luz visible o invisible
pueden ser utilizadas para formar un haz colimado, para entregar energía en un área
específica. Sin embargo, como en el caso de las ondas de radio dirigido, la transmisión
segura y eficiente de la potencia del láser requiere una clara línea de vista entre el
transmisor y el receptor.
Como se mencionó anteriormente la tecnología de WiTricity se basa en la
transferencia de energía no radiante. No se requiere una clara línea de visión directa entre
las fuentes de energía y dispositivos de captura y es seguro para su uso en el hogar,
hospitales, oficinas o entornos industriales.
3.2.3 Imágenes por resonancia magnética (MRI).
Se puede llegar a pensar que WiTricity, por su acoplamiento magnético resonante,
debe ser similar a la resonancia magnética (MRI por sus siglas en ingles), sin embargo, las
tecnologías son similares sólo de nombre. La RM (resonancia magnética) es, como su
nombre indica, una tecnología para usar el magnetismo como base de diagnóstico por
imágenes de los tejidos blandos del cuerpo humano. Se utiliza un imán DC fuerte para
orientar a los campos magnéticos de los átomos dentro de los tejidos, y los campos de
20
radiofrecuencia para manipular los átomos de una manera selectiva, por lo que los tejidos y
las estructuras se pueden visualizar con claridad. La "resonancia" a la que se refiere el
"RM" se refiere a la resonancia de las estructuras atómicas. La RM no se considera un
método para la transferencia de energía inalámbrica.
3.2.4 La visión de Tesla de un mundo inalámbrico
En la década de 1800 y principios de 1900, en los albores de la electrificación del
mundo moderno, algunos científicos e ingenieros creen que el uso de cables para
transferir electricidad, a partir de todos los lugares en que se generó, a cada lugar que se
podría utilizar sería demasiado caro para ser práctica. Nikola Tesla, uno de los más
conocidos de estos científicos, tuvo una visión de un mundo inalámbrico, con energía
eléctrica inalámbrica y comunicaciones que llegan de todo el mundo, ofreciendo
información y el poder a los buques en el mar, las fábricas, y todos los hogares en el
planeta. Tesla ha contribuido significativamente a nuestra comprensión de la electricidad
y los sistemas eléctricos y se le atribuye la invención de corriente trifásica en sistemas de
energía, motores de inducción, lámparas fluorescentes, la radio, y varios modos de
transferencia inalámbrica de energía eléctrica. La tecnología para la transferencia de poder
WiTricity es diferente a las tecnologías propuestas por Tesla, pero su obra se hace
referencia y es reconocido en los artículos científicos publicados por el fundador del
equipo técnico de WiTricity.
21
3.3 Aplicaciones
La tecnología WiTricity puede ser empleada en una gran variedad de componentes
eléctricos y en diferentes entornos.
Los dos modos de operación que se pueden emplear son:
Administración inalámbrica de energía constante: este modo se emplea cuando las
necesidades energéticas del dispositivo son suplidas en su totalidad de manera inalámbrica
por la fuente WiTricity, por lo cual no es necesario la utilización de ningún tipo de batería.
Es importante apuntar que el dispositivo a alimentar debe estar siempre dentro del alcance
de la fuente.
Recargado inalámbrico automático: este modo se emplea cuando un dispositivo con
baterías recargables se carga mientras todavía está en uso o en reposo, sin necesidad de un
cable de alimentación o el reemplazo de la batería. Este modo es para un dispositivo móvil
que se puede utilizar tanto dentro como fuera del alcance de su fuente de alimentación
WiTricity.
22
3.3.1 Electrónica de Consumo
Carga automática de dispositivos eléctricos móviles, por ejemplo, teléfonos,
computadoras portátiles, controles de juegos,etc. En el hogar, un vehículo, la
oficina, puntos de acceso Wi-Fi, etcétera, mientras los dispositivos están en uso y en
movimiento.
Alimentación inalámbrica constante de dispositivos fijos, por ejemplo, televisores
de pantalla plana, marcos de fotos digitales, accesorios de teatro en casa, altavoces
inalámbricos, etcétera, con lo que se elimina la necesidad del cableado
convencional y la excesiva presencia de tomacorrientes.
Alimentación inalámbrica constante de periféricos de PC de escritorio: ratón
inalámbrico, teclado, impresora, altavoces, pantalla, etcétera, en este caso ya no se
necesitarían las baterías recargables o cableado.
3.3.2 Industria
Alimentación inalámbrica constante y comunicación interconectada a través de
uniones en rotación y movimiento, por ejemplo, robots, máquinas de ensamblaje,
montaje de maquinaria, herramientas de maquinaria, logrando la eliminación de
cableado costoso y propenso a fallos.
Alimentación inalámbrica constante y comunicación interconectada en puntos de
uso dentro de ambientes muy agresivos, por ejemplo, perforación, extracción, bajo
el agua, donde no es práctico o hasta imposible la utilización de cableado.
23
Alimentación inalámbrica constante para sensores y actuadores inalámbricos,
logrando eliminar el costoso cableado o constante reemplazo de baterías.
Carga automática de robots móviles, vehículos de guiado automático, herramientas
e instrumentos inalámbricos, sustituyendo a mecanismos complejos de
acoplamiento y recarga o reemplazo de baterías.
3.3.3 Transporte
Carga automática de vehículos eléctricos existentes como los carros de golf y demás
vehículos industriales.
Carga automática de futuros vehículos híbridos y totalmente eléctricos para
transporte comercial o de pasajeros en hogares, garajes, parqueos y estaciones a
distancia.
Reemplazo total de costos cables, arneses y anillos colectores para vehículos
eléctricos.
3.3.4 Otras Aplicaciones
Alimentación inalámbrica constante y carga automática de dispositivos médicos que
se implantan, por ejemplo, dispositivos de asistencia ventricular, marcapasos,
desfibrilador, etcétera.
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Carga automática sistemas de alta tecnología militar, por ejemplo, la batería de
dispositivos móviles electrónicos, sensores encubiertos, robots móviles y aviones no
tripulados, etcétera.
Alimentación inalámbrica constante y carga automática de tarjetas de acceso
inteligente.
Alimentación inalámbrica constante y carga automática de electrodomésticos de
consumo, robots móviles.
3.4 Eficiencia
El fuerte acoplamiento resonante proporciona una alta eficacia a larga distancia.
El modo de transferencia inalámbrica de energía WiTricity es muy eficaz en distancias que
van desde centímetros hasta varios metros. Se define la eficiencia como la cantidad de
energía eléctrica utilizable que está disponible para el dispositivo que se potencia, dividido
por la cantidad de energía que se extrae de la fuente de WiTricity. En muchas aplicaciones,
la eficiencia puede exceder el 90%. Las fuentes con tecnología WiTricity, sólo inician la
transferencia de energía cuando es necesario. Cuando un dispositivo alimentado WiTricity
ya no necesita capturar energía adicional, la fuente de alimentación WiTricity reducirá
automáticamente su consumo de energía, entrando en modo de ahorro o modo de
inactividad.
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3.5 Alcance
Un campo magnético cercano tiene varias propiedades que lo convierten en un
excelente medio de transferencia de energía para un consumidor medio, un consumidor
comercial o industrial. La mayor parte de edificaciones están hechas de materiales como
madera, pared de yeso, cartón, plásticos, textiles, vidrio, ladrillo y hormigón los cuales son
prácticamente "transparentes" para los campos magnéticos empleados en la tecnología
magnética WiTricity, lo cual permite la transferencia eficiente de energía a través de ellos.
Además, el campo magnético cercano tiene la capacidad de “rodear” muchos obstáculos
metálicos que podrían bloquear los campos magnéticos.
3.6 Efectos Sobre el Ambiente y La Salud Humana
La tecnología WiTricity es un modo no radiactivo de transferencia de energía,
confiando en cambio en el campo cercano magnético. Los campos magnéticos interactúan
muy débilmente con los organismos biológicos, las personas y los animales, y dicha
aseveración está científicamente comprobada. El profesor Sir John Pendry, del Imperial
College de Londres, un físico de renombre mundial, explica: "El cuerpo en realidad
responde en gran medida a los campos eléctricos, por lo que se puede cocinar un pollo en
un horno de microondas. Pero no responde a los campos magnéticos. Por lo que sabemos
que el cuerpo tiene casi cero respuesta a los campos magnéticos en términos de la cantidad
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de energía que absorbe."1. La evidencia de la seguridad de los campos magnéticos se ilustra
por la amplia aceptación y la seguridad de estufas para hogar que funcionan a partir de
inducción magnética.
Contemplado en el diseño de la fuente de WiTricity, los campos eléctricos son casi
completamente contenidos en la fuente. Este diseño da como resultado niveles de campos
eléctricos y magnéticos dentro de las directrices reguladoras. Así, la tecnología WiTricity
no da lugar a emisiones de radiofrecuencia que interfieren con otros dispositivos
electrónicos, y no es una fuente de niveles de campos eléctricos y magnéticos que
constituyan un riesgo para personas o animales.
Organismos internacionales como la FCC (Federal Communications Commission),
ICNIRP (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection), fijan los límites
a los que la intensidad de campos magnéticos son seguros para la salud humanabasándose
en un amplio consenso científico y médico. La tecnología de WiTricity se desarrolla para
ser totalmente compatible con la normativa aplicable en relación con los campos
magnéticos y las radiaciones electromagnéticas.
1 Profesor Sir John Pendry
27
3.7 Capacidad de Alimentación de los diseños
Los sistemas WiTricity pueden ser diseñados para manejar una amplia gama de
niveles de potencia. Los beneficios de la transferencia de energía de alta eficiencia en la
distancia se pueden lograr a niveles de potencia que van desde miliWatts a varios
kiloWatts. Esto permite que la tecnología WiTricity sea utilizada en aplicaciones tan
diversas como la alimentación de un teclado o mouse inalámbrico (mW) y en la recarga de
un vehículo eléctrico de pasajeros (kW). Esta tecnología trabaja en un modo de seguimiento
de carga, transfiere únicamente la energía que requiere el dispositivo alimentado.
La tecnología WiTricity está diseñada para que pueda ser fácilmente integrada en
una amplia variedad de productos y sistemas. La física de acoplamiento magnético
resonante permite a los ingenieros diseñar fuentes de energía y dispositivos de diferentes
formas y tamaños, para que coincida con los requisitos tanto de los empaquetados como los
requisitos de transferencia de poder en una aplicación dada OEM. Se han diseñado
dispositivos de captura de energía lo suficientemente compactos como para caber en un
teléfono celular.
28
3.8 Diseño Experimental
Se pretende realizar una pequeña prueba experimental hacerca del tema
desarrollado, esto con el fin tener una mejor comprensión sobre el fenómeno de resonancia
magnética de objetos y la transmisión de energía eléctrica.
Para el experimento se partirá de la prueba que dio origen a la tecnología Witricity y
otra más reciente hecha por Alan Yates, quien cuenta con un diseño, que según su blog en
internet, le dio resultados satisfactorios a manera de desmostración, ya que él hace la
salvedad de que el diseño no es eficiente, sino una implementación hecha con elementos
que se encontraban en su laboratorio.
3.8.1 Experimento en MIT
En el año 2007 se realiza el experimento que daría origen a la tecnología que hoy se
denomina Witricity, esto por un grupo de investigadores del Instituto Tecnolígico de
Massachusets, a cargo del Físico y profesor Marín Soljacic, en este experimento se logró
encender una bombilla incandecente de 60 W desde una distancia de alrededor de dos
metros, esto sin la necesidad de ningún contacto físico entre la bobina emisora y la
receptora.
Franklin Hadley, director de Divulgación Científica del Instituto de Nanotecnología
Militar señala en un cominicado de prensa en junio de 2007 que el equipo de investigadores
del MIT logró acoplar dos bobinas de cobre de un diametro de 60 cm, diseñadas
29
especialmente para tener la misma frecuencia natural de resonancia eléctrica. La bobina
emisora, se encuentra conectada a una fuente de energía, pero en lugar de difundir ondas
electromagnéticas en el entorno, colma el espacio cercano alrededor con un campo
magnético no radiactivo que fluctúa a frecuancias del orden de los MegaHerz. Mientras que
en la segunda bobina receptora a la cual se encuentra conectada una carga, se induce una
corriente eléctrica debido al campo magnético oscilante poducido en la bobina emisora.
La alta frecuencia del campo magnético producido hace que sea capaz de evitar
obstáculos, logrando enviar la corriente necesaria solicitada por la carga a traves de una
pared.
Figura 6: Experimento en el MIT sobre Witricity con obstaculos entre la bobina
receptora y la emisora.[10]
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Figura 7: Experimento en el MIT sobre Witricity sin obstaculos entre la bobina
receptora y la emisora.[10]
Según los datos brindados por los investigadores, para este experimento se tuvo una
eficiencia de entre un 40% y 50%, señalando que la energía no utilizada permanece en las
inmediaciones de la bobina emisora y no se irradia al entorno.
31
3.8.2 Implementación experimental
Se propuso para este proyecto hacer una pequeña implementación a manera de
demostración, para la cual se plantea un diseño sencillo, que se muestra a continuación.
Figura 8: Diseño esquemático de los circuitos emisor y receptor.
Los elementos utilizados fueron los siguientes:
Emisor: capacitor de 91,3nF, bobina de 0,30 uH, transistor IRF510, Fuente de
alimentación a 8 Vdc, generador de señales.
Receptor: capacitor de 92,7, bobina de 0,26 uH, diodo led.
Luego se procede a calcular la frecuencia de oscilación natural mediante la siguiente
ecuación:
32
(4)
Al aplicar la fórmula con los valores de inductancia y capacitancia de los circuitos
emisor y receptor se obtienen los siguientes valores:
Frecuencia de Resonancia del circuito Emisor:
881,49 Hz
Frecuencia de Resonancia del circuito receptor:
987 037,06 Hz
Como se puede apreciar, las frecuencias de resonancia de los circuitos emisor y
receptor no son idénticas, esto debido a que por cuestiones constructivas, los elementos
electrónicos utilizados no son ideales, y por ende no cuentan con los valores esperados para
así poder obtener los resultados esperados.
Otro aspecto muy importante es el hecho de utilizar bobinas hechas de manera
artesanal, ya que los valores de inductancias pueden variar, como lo fue en este caso, ya
que se utilizaron bobinados elaborados en el laboratorio.
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Figura 9: Bobinas elaboradas de manera manual utilizadas en los circuitos emisor y
receptor.
34
Figura 10: Implementación de los circuitos receptor y emisor en una misma
protoboard.
En el momento que se inicia el funcionamiento del circuito emisor y receptor, se
presentan ciertos inconvenientes, como lo fueron:
La corriente: los componentes utilizados no eran capases de soportar las corrientes
que se producían en el circuito, por lo tanto se sobrecalentaban y no permitían un
buen funcionamiento.
La fuente de alimentación: la fuente que alimentaba el circuito no era capaz de
suministrar la corriente requerida, por ende, la tensión de alimentación bajaba hasta
valores de hasta 3 V.
Por los inconvenientes antes mencionados no se pudo realizar la correcta puesta en
marcha del circuito receptor y emisor, pero es de suma importancia tratar de realizar este
35
tipo de experimentos porque se pueden obtener conclusiones muy valiosas para futuras
investigaciones o proyectos, por ejemplo:
Utilizar componentes de la mejor calidad y fiabilidad que sean capaces de
soportar altas potencias sin sufrir deterioro o calentamiento excesivo.
Las fuentes de alimentación deber estar capacitadas para entregar la potencia
suficiente sin que el nivel de tensión eléctrica decaiga.
Se debe contar con el apoyo de profesores con experiencia en el área de
electrónica, para poder realizar diseños e implementaciones de manera más
eficiente y rápida.
Dedicar el tiempo suficiente a la realización del diseño, además de contar con un
área de trabajo acondicionada de acuerdo a las demandas de seguridad, espacio
y equipos para este tipo de experimento.
36
Capítulo 4: Conclusiones y Recomendaciones
4.1 Conclusiones
La tecnología Witricity de fuerte resonancia magnética, permite la transmisión de
energía eléctrica para la carga de baterías presentes en dispositivos que se implantan en el
cuerpo humano, por ejemplo los marcapasos, lo que implicaría una mejora práctica muy
importante al no ser necesario un elemento entre el dispositivo y el exterior, con lo que se
reduciría la posibilidad de infecciones en la piel, en general, Witricity puede aportar
soluciones importantes al área de la medicina.
Es importante que la sociedad y profesionales como los ingenieros día a día se vayan
familiarizando con tecnologías o métodos de diseño, que sean más amigables con el medio
ambiente, por tanto Witricity es una tecnología a considerar en este sentido, ya que permite
diseñar ciertos dispositivos electrónicos no dependientes de baterías de iones de litio,
dígase, celulares, computadoras, periféricos como mouse y teclados, y demás mecanismos
electrónicos que se utilizan de manera cotidiana en todo el mundo.
Debido a que la frecuencia natural de resonancia de un circuito RLC, depende tanto
de la capacitancia como de la inductancia, es posible tener circuitos resonantes con
diferentes tamaños y formas, fijando la inductancia por ejemplo, y variando a voluntad la
capacitancia, por tanto, se puede tener un emisor Witricity con ciertas dimensiones y forma,
transmitiendo energía eléctrica de manera eficiente a uno o varios receptores con
características físicas diferentes a dicho emisor.
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Los seres humanos, las plantas y los animales, son susceptibles a interactuar de
manera riesgosa con campos eléctricos pero no con los campos magnéticos, para el caso de
la tecnología propuesta en este proyecto, estos campos eléctricos son capturados por cierto
material que a su vez funciona como carcasadel emisor Witricity.
Esta tecnología es capaz de trasmitir energía eléctrica de manera inalámbrica con
una alta eficiencia a dispositivos electrónicos que se encuentran a distancias mucho
mayores al tamaño del emisor y receptor.
Witricity puede ser empleada en prácticamente cualquier aplicación que involucre
dispositivos eléctricos y electrónicos que necesiten de una fuente de alimentación eléctrica.
Existen limitaciones de potencia y distancia de transmisión para esta tecnología, las cuales
pueden irse mejorando con implementación de nuevos diseños, esto, invirtiendo recursos en
investigación y desarrollo.
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4.2 Recomendaciones
Es importante tener en consideración la legislación en cuanto a emisión de campos
eléctricos y magnéticos se refiere, que es propia de cada nación o estado, antes de
implementar cualquier diseño de la tecnología Witricity.
Se debe tener de manera pronta un estándar de diseño para esta tecnología, que
permita su uso y desarrollo de manera masiva en el mundo, y no limitarla a patentes y
derechos de propiedad en manos de unos pocos.
Durante la elaboración de estos productos se debe considerar la utilización de
materiales constructivos de muy alta calidad y fiabilidad para garantizar la mayor eficiencia
y desempeño posible en todo momento, y así evitar, el gasto innecesario de energía
eléctrica.
La seguridad de las personas y demás organismos vivientes, debe ser garantizada
siempre, respetando la legislación de la entidad supervisora correspondiente, en cuanto a
emisión de campos eléctricos y magnéticos se refiere.
Se debe hacer hincapié, al hecho de poder implementar la tecnología Witricity en
beneficio del medio ambiente, mediante la reducción paulatina en la presencia de baterías
en elementos eléctricos y electrónicos, dado que dichos almacenadores de energía, una vez
que han cumplido su vida útil son altamente contaminantes, y más aún, tomando en cuenta
que su uso es masivo en todo el mundo.
39
BIBLIOGRAFÍA
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15. Edminister, Electromagnetismo, terceraedición, 2001.
41
APÉNDICES
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ANEXOS
Anexo 1: Extracto de la patente propietaria de la tecnología Witricity.
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