Las fuentes de energía son inevitables en el diseño de todos los sistemas robóticos móviles. Proporcionar una fuente de energía óptima respalda la capacidad de movimiento, por lo que la identificación de una fuente de energía ideal debe ocurrir lo antes posible en el proceso de diseño del robot.
Los sistemas de energía no pueden ser una idea de último momento y, si se dejan para las etapas finales de diseño, pueden tener efectos graves y adversos, como exceso de peso, tamaño, calor y limitaciones operativas. Los factores fundamentales que guían la selección de una fuente de energía son el tipo de robot que se está diseñando, su uso previsto, tamaño, peso y ciclo de vida.
En la actualidad, la mayoría de los robots móviles dependen de baterías de polímero de litio como fuente principal de energía. Sin embargo, las alternativas incluyen celdas de combustible y generadores, generadores termoeléctricos, supercondensadores, volantes de inercia e incluso opciones que no son de almacenamiento, como ataduras.
En particular, la tecnología de suministro de energía actual es un factor limitante crucial para las aplicaciones robóticas de campo de larga duración. Todas las baterías recargables existentes tienen densidades de energía muy bajas y altas tasas de autodescarga, lo que requiere que los sistemas se detengan y recarguen cada pocas horas. Esto los hace ineficaces para misiones continuas de larga duración.
Por lo tanto, existe una gran necesidad de un suministro de energía estable que pueda proporcionar la alta energía total requerida para misiones de larga duración que sean silenciosas y limpias. Esta publicación discutirá algunas de las principales fuentes de energía robótica que se utilizan en los robots móviles modernos.
1. Baterías
Las baterías son la fuente de energía más comúnmente seleccionada en aplicaciones de robots industriales, ya que cumplen con los criterios más adecuados, como seguridad, ciclo de vida, peso y costo. Se clasifican en recargables (secundarias) o no recargables (primarias).
Si bien las baterías primarias presentan la aparente desventaja de requerir reemplazo, generalmente brindan mayor potencia para su tamaño, lo que las hace adecuadas para aplicaciones específicas de consumo de luz.
Históricamente, los tipos comunes de baterías recargables para aplicaciones robóticas son las de níquel-cadmio (NiCd) y plomo-ácido. Además, en ocasiones se han utilizado baterías gelificadas de plomo-ácido, capaces de proporcionar una potencia de hasta 40 Wh/kg. Además, las tecnologías de baterías secundarias incluyen hidruro de níquel-metal (NiMH), plata-zinc e iones de litio. Ahora, sin embargo, las tecnologías de litio se han convertido en la opción popular para los diseñadores de robots de hoy.
Las principales preocupaciones al elegir una batería incluyen la geometría o la forma de las baterías, el peso, la durabilidad, la capacidad del paquete de baterías en miliamperios-hora, el costo inicial y los factores ambientales.
Entre las muchas ventajas de las tecnologías de iones de litio está su ligereza. Además, el elemento litio en sí mismo es particularmente reactivo, lo que significa que puede almacenar mucha energía; por lo general, se pueden almacenar alrededor de 150 Wh de electricidad en 1 kg de batería. Esto se compara favorablemente con un paquete de baterías de NiMH, que puede contener de 60 a 100 Wh.
2. Células fotovoltaicas (PV)
Aunque las células fotovoltaicas (PV), generalmente conocidas como células solares o células fotoeléctricas, han aportado muchos beneficios al mundo de la ingeniería, no pueden encontrar su lugar en la robótica. Sin embargo, varios robots BEAM, como cortadoras de césped automáticas y aspiradoras, utilizan actualmente tecnología de células fotovoltaicas. Se utilizan junto con un condensador.
Las células fotovoltaicas son limpias y renovables con un potencial ilimitado. Sin embargo, la ampliación de esta tecnología a robots industriales no se ha producido a nivel comercial debido a muchas razones, como la baja densidad de potencia de las células solares (Wp/m2), que es insuficiente para la mayoría de los robots industriales modernos.
3. Pilas de combustible (FC)
La tecnología de celdas de combustible es el reemplazo futuro mucho más probable para las baterías convencionales en robots industriales. Suministra energía directa a través de un proceso sin combustión al derivar energía directamente de una fuente de hidrocarburo con altas eficiencias de hasta el 75 %. Una pila de combustible es un dispositivo electroquímico renovable que combina directamente combustible (hidrógeno) y oxidante (aire) para suministrar energía pura.
Este proceso incluye dos electrodos intercalados alrededor de un electrolito conductor. Los electrones se liberan del ánodo en presencia de un catalizador de platino, generando una corriente eléctrica a través de una carga. La eficiencia de las pilas de combustible se puede aumentar hasta casi un 80 % utilizando el calor residual. Actualmente, el costo es la barrera restrictiva, pero esto podría cambiar a medida que las celdas de combustible se adopten en mercados de consumo más amplios.
Otras posibles fuentes de energía de los robots incluyen:
- Almacenamiento de energía del volante
- Hidráulica
- gases comprimidos
- Supercondensadores
- basura organica
Conclusiones clave
- Cuando se trata de fuentes de energía, las baterías son la tecnología preferida actualmente. Se pueden implementar tanto el tipo primario (no recargable) como el secundario (recargable), aunque este último generalmente se considera la elección popular.
- Los tipos de baterías secundarias incluyen NiCd, NiMH e iones de litio. La densidad de potencia es más alta con las baterías de litio.
- Los factores importantes en la decisión de compra son la seguridad, el ciclo de vida, el tamaño, el peso y el costo.
- Las fuentes de energía alternativas incluyen fotovoltaica, celdas de combustible, generadores termoeléctricos, supercondensadores y almacenamiento de energía de volante. Los robots extragrandes que pesan varias toneladas requieren un generador diésel o una fuente de alimentación trifásica.