Sistema de recolección de energía (Energy Harvesting), que ...

Sistema de recolección de energía (Energy Harvesting), que emplea la corriente Corona y señales de alta

frecuencia

Carlos Andres Rivera Guerrero

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica

Bogotá, Colombia

2016

Sistema de recolección de energía (Energy Harvesting), que emplea la corriente Corona y señales de alta frecuencia

Carlos Andres Rivera Guerrero

Tesis o trabajo de investigación presentado como requisito parcial para optar al título de:

Magister en Ingeniería Eléctrica

Director:

Ph.D. Francisco José Román Campos

Línea de Investigación:

Fuentes Alternativas de Energía, Alta Tensión, Antenas y Propagación

Grupo de Investigación:

Grupo de investigación en Compatibilidad Electromagnética

Universidad Nacional de Colombia

Facultad Ingeniería, Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica

Bogotá, Colombia

2016

“El pensamiento es sólo un destello

entre dos largas noches, pero ese

destello lo es todo”

Henri Poincaré

“Tal vez superemos nuestra adolescencia

tecnológica cuando comprendamos nuestra naturaleza frágil e imperfecta”

Carlos Rivera

VI Sistema de recolección de energía (Energy Harvesting), que emplea la

corriente Corona y señales de alta frecuencia

Agradecimientos

A mi Familia y seres queridos, en especial a mi padre y a mi hermana que han puesto su

confianza en mí, y me han brindado su apoyo incondicional en la culminación de esta

tesis, a mis amigos: Daniel Guerrero, Renato Vanoni, María Ximena De La Ossa, Diana

Castañeda, Johan Leithon, y a Laura De La Ossa.

Los resultados presentados en este trabajo de tesis son fruto de dos años de trabajo en

el Grupo en Compatibilidad Electromagnética de la Universidad Nacional de Colombia

EMC-UNC, por tal motivo, quiero expresar mis más profundos agradecimientos a sus

integrantes. En primer lugar al Profesor Francisco Román como director del Grupo de

Investigación en Compatibilidad Electromagnética, y como director de este trabajo de

tesis quien ha apoyado este proyecto de investigación desde sus inicios, ha brindado los

medios para realizarlo y compartido su conocimiento en cada parte de la investigación, a

antiguos integrantes del grupo de investigación como: David Ariza, quien dio las bases

para este nuevo trabajo de investigación, a Oscar Escobar y Oscar Montero, por haber

compartido sus conocimientos, esfuerzos y opiniones para la realización de este trabajo.

A COLCIENCIAS y a la Vicedecanatura de Investigación de la Universidad Nacional de

Colombia (DIB), sede Bogotá, por brindar los medios y apoyar económicamente este

trabajo de tesis, y aportar en la construcción y diseño de los primero prototipos del

sistema.

Y finalmente a todas las personas que brindaron y compartieron sus comentarios y

opiniones sobre este trabajo.

Resumen y Abstract IX

Resumen

Se presenta el desarrollo de un sistema de recolección de energía (Energy Harvesting),

que emplea la energía almacenada en el campo eléctrico de las nubes de tormenta y

extraída mediante Electrodos Tipo Corona (ETC) propuesto por Roman [1-5], y la

energía presente en el espectro radioeléctrico. Se parte de los trabajos previos

realizados por Ariza [13], donde se propone el diseño del primer sistema de

almacenamiento de energía proveniente de las nubes de tormenta empleando el uso de

Electrodos Tipo Corona (ETC), para la recolección de la corriente Corona del campo

eléctrico ambiental. En este nuevo sistema se plantea el uso de las dos fuentes no

convencionales de energía, la corriente Corona generada en condiciones de tormenta y

la energía que se obtiene del espectro radioeléctrico (Emisoras de AM, FM y en menor

medida TDT).

El trabajo se divide en cuatro etapas, la primera es el desarrollo de simulaciones de onda

completa para estudiar el comportamiento de los ETC ante campos electrostáticos y

señales de alta frecuencia, la segunda etapa es el desarrollo de pruebas experimentales

para observar el comportamiento de los ETC ante campos electrostáticos y señales de

alta frecuencia, la tercera fase contempla el desarrollo de los circuitos de recolección de

energía, la cuarta fase se enfoca en las pruebas en condiciones controladas de

laboratorio y en condiciones ambientales, la quinta y última fase muestra el uso del

sistema de recolección de energía como un potencial auxiliar, para el funcionamiento de

una celda foto-catalítica (CFC) para el desarrollo de procesos de hidrolisis.

Palabras clave: Corriente Corona, Señales de alta Frecuencia, Espectro

Radioeléctrico, Alta Tensión, Circuitos de Almacenamiento, Simulación

Electromagnética.

X Sistema de recolección de energía (Energy Harvesting), que emplea la


Abstract

We present a system to harvest energy from both the energy stored in the thunderstorm

clouds electric field and extracted by means of Corona-Type-Electrodes in thunderstorm

clouds proposed by Roman [1-5], and the energy present in the electromagnetic

spectrum. This paper extends the work of Ariza [13], a pioneering work in the design of

storage systems for energy harvested from thunderstorm clouds, which uses CTE for the

harvesting of Corona energy from the ambient electric field. The present new system

proposes the use of two non-conventional sources of energy, the Corona currents (from

thunderstorm clouds) and the electromagnetic energy in the AM, FM and TDT bands.

This project was divided into five stages. In the first stage, we use simulations to study

how ETCs are affected by electrostatic and high-frequency interference. In the second

stage, we deploy experiments to gain further insights. In the third stage, we devise and

implement the appropriate energy harvesting circuits, while in the fourth stage, we test

the proposed solutions in both controlled and natural environments. The final stage

investigates the use of the proposed system, both as a complement of existing energy

harvesting systems such as a Photo-Catalytic-Cell (PCC) as a mechanism to improve the

hydrolysis processes.

Keywords: Corona Current, High Frequency Signals, Radioelectric Spectrum, High

Voltage, Energy Harvesting circuits, Electromagnetic Simulation,

Contenido XI

Contenido

Pág.

Resumen ......................................................................................................................... IX

Lista de figuras ............................................................................................................. XIII

Lista de tablas ............................................................................................................. XIX

Lista de Símbolos y abreviaturas ................................................................................ XX

Introducción .................................................................................................................... 1

1. Capítulo: Generación de la corriente Corona en un arreglo punta-placa ............. 5

1.1 Fenómeno de Corriente Corona ...................................................................... 5

1.2 Pruebas de generación de corriente Corona en condiciones controladas de laboratorio .................................................................................................................. 7

1.2.1 Corriente Corona a diferentes niveles de tensión en la placa ................ 8

1.3 Simulaciones de Onda Completa y cálculo del factor de amplificación del campo eléctrico por un ETC ..................................................................................... 10

1.3.1 Configuración de la simulación para un arreglo punta-placa ............... 10

1.3.2 Resultados obtenidos .......................................................................... 11

2. Capítulo: Caracterización de un Electrodo Tipo Corona (ETC) en condiciones controladas de laboratorio ........................................................................................... 15

2.1 Simulación y Medición del parámetro S11 para el ETC ................................. 16

2.2 Cálculo de la Ganancia del ETC, cuando este se comporta como una antena18

2.3 Pruebas de Recepción del ETC a señales de alta frecuencia ........................ 19

2.3.1 Resultados para frecuencias en la banda de FM ................................. 21

2.3.2 Resultados para frecuencias en la banda de TDT ............................... 22

2.3.3 Resultados para frecuencias en la banda de ISM ............................... 23

2.4 Comportamiento del ETC a una señal de 110MHz, y a una corriente Corona inducida. ................................................................................................................... 24

2.4.1 Comportamiento de la corriente Corona a una señal de alta frecuencia25

2.4.2 Modelo propuesto del fenómeno y Conclusiones de la sección 2 ........ 31

3. Capítulo: Caracterización del arreglo de ETC ...................................................... 37

3.1 Análisis en el dominio de la frecuencia .......................................................... 39

3.1.1 Análisis de Pérdidas por Retorno (S11) .............................................. 39

3.1.2 Análisis en el dominio de la Frecuencia con el N9340B ...................... 43

3.1.3 Análisis en el dominio del Tiempo y de la Frecuencia. ........................ 45

3.1.4 Discusión de la sección 3.1 ................................................................. 48

3.2 Estudio Electroestático del arreglo de ETC a las estructuras cercanas .......... 48

XII Sistema de recolección de energía (Energy Harvesting), que emplea la


3.2.1 Configuración de la simulación en CST-EM Studio. .............................48

3.2.2 Resultados para estructuras sin la presencia de mástil de 30 metros. .51

3.2.3 Resultados para estructuras con la presencia de mástil de 30 metros. 53

3.2.4 Discusión de resultados de la sección 3.2 ...........................................56

4. Capítulo: Implementación de Circuitos Recolectores de Energía. ......................57

4.1 Circuito de Recolección de corriente Corona ..................................................59

4.1.1 Simulación en CST Design-Studio .......................................................59

4.1.2 Implementación del circuito de recolección de corriente Corona ..........61

4.1.3 Pruebas en condiciones controladas. ..................................................62

4.2 Circuito de Recolección de señales del espectro radioeléctrico ......................63


4.2.2 Implementación del circuito de recolección de corriente Corona ..........65

4.2.3 Pruebas en condiciones controladas. ..................................................66

4.3 Circuito de Recolección 3 ...............................................................................70


4.3.2 Implementación del circuito de recolección. .........................................71

4.4 Pruebas en Condiciones Ambientales de los Circuitos Implementados. .........72

4.5 Discusión de la sección 4. .............................................................................75

5. Capítulo: Pruebas del Sistema de Recolección de Energía .................................76

5.1 Circuitos recolectores como detectores de eventos de tormenta ....................77

5.2 Pruebas de recolección en circuitos implementados ......................................85

5.2.1 Recolección de energía para el mes de Septiembre de 2016 ..............86

5.2.2 Recolección de energía para el mes de Octubre de 2016 ....................88

5.2.3 Recolección de energía para el mes de Noviembre de 2016 ............. 100

5.2.4 Discusión y conclusiones de la sección 5. ......................................... 108

6. Capítulo: Posibles usos de la Energía Recolectada .............................................. 111

6.1 Producción Fotoelectrocatalítica (FEC) de Hidrógeno ....................................... 112

6.2 Pruebas de generación de Hidrogeno ............................................................... 113

6.3 Conclusiones y Futuros trabajos ....................................................................... 116

6.4 Aportes del presente trabajo de investigación ................................................... 117

6.5 Trabajos Futuros ............................................................................................... 118

6.6 Publicaciones y Ponencias ................................................................................ 118

A. Anexo: Implementación de circuito Willard ........................................................ 121

B. Anexo: Determinación de la Energía suministrada por cada una de las dos fuentes no convencionales de energía ....................................................................... 123

Bibliografía ................................................................................................................... 132

Contenido XIII

Lista de figuras

Capitulo 1: Pág. Figura 1- 1: Arreglo experimental para la generación de corriente Corona en condiciones controladas. ...................................................................................................................... 8

Figura 1- 2: Medida del voltaje de circuito abierto con FLUKE 189. .................................. 9

Figura 1- 3: Medida del corriente Corona con Picoamperímetro RBD 9105. ..................... 9

Figura 1- 4: Configuración de la simulación en CST-EM Studio.. ................................... 10

Figura 1- 5: La imagen superior corresponde al cálculo de la distribución del potencial para 7 kV aplicados a la placa. La imagen inferior corresponde al campo eléctrico en un arreglo punta-placa. ....................................................................................................... 11





Capitulo 2: Pág. Figura 2- 1: Arreglo experimental utilizado para la caracterización del ETC. .................. 15

Figura 2- 2: Arreglo experimental utilizado para la caracterización de un ETC. .............. 16

Figura 2- 3: Geometría implementada y condiciones de frontera implementadas. ......... 17

Figura 2- 4: Parámetro de pérdidas por retorno (S11) para el ETC. ............................... 17

Figura 2- 5: Ganancia del ETC para la frecuencia de 110MHz. ...................................... 18

Figura 2- 6: Plano E, para el ETC, el valor de máxima ganancia es de 5.4dB. ............... 19

Figura 2- 7: Simulación de cabina blindada ETS-Lindgren ............................................. 20

Figura 2- 8: Modos generados en cabina blindada ETS-Lindgren .................................. 21

Figura 2- 9: Señales recibidas por el ETC en algunas frecuencias de la banda de FM... 22

Figura 2- 10: Señales recibidas por el ETC en algunas frecuencias de la banda de TDT. ....................................................................................................................................... 23

Figura 2- 11: Señales recibidas por el ETC en algunas frecuencias de la banda de ISM.23

XIV Sistema de recolección de energía (Energy Harvesting), que emplea la


Figura 2- 12: Comportamiento de la cabina blindada ETS Lindgren, cuando la puerta de la cabina se encuentra abierta o cerrada. ....................................................................... 25

Figura 2- 13: Fuente Corona a 7kV. ................................................................................ 26

Figura 2- 14: Fuente Corona a 10kV. .............................................................................. 27



Figura 2- 17: Fuente Corona a 14kV ............................................................................... 29



Figura 2- 20: Calculo de la corriente Corona utilizando las expresiones (2-2) y (2-3) ...... 34

Figura 2- 21: Resultados del cálculo de la corriente iT(t) ................................................. 35

Capítulo 3: Pág.

Figura 3- 1: Arreglo de electrodos ubicados en el edificio 411. ....................................... 37

Figura 3- 2: Varistor ubicado al final del coaxial que recoge las señales de los ETC ...... 38

Figura 3- 3: Vista superior, los puntos en azul muestran la ubicación de cada uno de los ETC pertenecientes al arreglo, y su distanciamiento entre cada uno de ellos. ................ 39

Figura 3- 4: Arreglo experimental para la medición del parámetro S11. .......................... 40

Figura 3- 5: S11, para la banda de 300kHz a 3000MHz .................................................. 41

Figura 3- 6: S11 para el rango de frecuencias de 300kHz a 500MHz. ............................. 41

Figura 3- 7: S11 para el rango de frecuencias de 500MHz a 1000MHz.......................... 42

Figura 3- 8: S11 para el rango de frecuencias de 1000MHz a 3000MHz. ....................... 42

Figura 3- 9: Arreglo experimental para análisis espectral del arreglo de ETC. ................ 43

Figura 3- 10: Espectro en frecuencia para la banda de 300kHz a 3000MHz. ................. 43

Figura 3- 11: Espectro en frecuencia para el rango de frecuencias de 50MHz a 150MHz. ....................................................................................................................................... 44

Figura 3- 12: Espectro en frecuencia para el rango de frecuencias de 400MHz a 600MHz. ....................................................................................................................................... 44

Figura 3- 13: Equipos para la medición en el domino del tiempo. ................................... 45

Figura 3- 14: Señal con 200µs por división en la escala temporal. .................................. 46

Figura 3- 15: Señal con 0.5µs por división en la escala temporal. ................................... 47

Figura 3- 16: Señal con 0.1µs por división en la escala temporal. ................................... 47

Figura 3- 17: Geometrías implementadas en CST-EM Studio. ........................................ 49

Figura 3- 18: Geometrías implementadas en CST-EM Studio. ........................................ 50

Figura 3- 19: Condiciones de frontera para la simulación ET=0. ...................................... 50

Figura 3- 20: Potencial sobre las estructuras, sin mástil. ................................................. 51

Figura 3- 21: Superior, campo eléctrico sobre arreglo de ETC, inferior, campo eléctrico sobre arreglo de ETC, líneas de contorno, sin la presencia del mástil. ........................... 52

Figura 3- 22: Potencial sobre las estructuras, con mástil. ............................................... 53

Figura 3- 23: Superior, campo eléctrico sobre arreglo de ETC, inferior, campo eléctrico sobre arreglo de ETC, líneas de contorno, con la presencia del mástil. .......................... 54

Contenido XV

Figura 3- 24: Superior, campo eléctrico en ETC ubicado sobre el mástil, inferior, campo eléctrico en ETC ubicado sobre el mástil, líneas de contorno. ........................................ 55

Capítulo 4: Pág.

Figura 4- 1: Esquema de conversión de RF a DC. ......................................................... 57

Figura 4- 2: Esquema de conversión de Corona a DC. ................................................... 58

Figura 4- 3: Esquema de conversión de Corona a DC y RF a DC. ................................. 59

Figura 4- 4: Circuito de recolección de corriente Corona. ............................................... 60

Figura 4- 5: Resultados de simulación Corona positivo. ................................................. 60

Figura 4- 6: Resultados de simulación Corona negativo ................................................. 61

Figura 4- 7: Circuito de recolección Corona. ................................................................... 61

Figura 4- 8: Pruebas en cabina de circuito de recolección. ............................................. 62

Figura 4- 9: Pruebas en cabina de circuito de recolección. ............................................. 63

Figura 4- 10: Circuito de recolección de señales de RF. ................................................. 64

Figura 4- 11: Resultados de simulación a señales de alta frecuencia. ............................ 64

Figura 4- 12: Resultados de simulación a señales de alta frecuencia. ............................ 65

Figura 4- 13: Prueba e implementación del circuito. ....................................................... 65

Figura 4- 14: Conversión RF a DC para el circuito. ........................................................ 66

Figura 4- 15: Pruebas de conversión RF a DC para el circuito. ...................................... 67






Figura 4- 21: Prueba de conversión de RF a DC para el circuito. ................................... 70

Figura 4- 22: Circuito de recolección 3. .......................................................................... 71

Figura 4- 23: Simulación del Circuito de recolección 3. .................................................. 71

Figura 4- 24: Implementación del Circuito de recolección 3. .......................................... 72

Figura 4- 25: Programa implementado en Labview. ....................................................... 72

Figura 4- 26: Resultados de pruebas ambientales. ......................................................... 73




Capítulo 5: Pág.

Figura 5- 1: Ubicación del Molino campo EFM-100. ....................................................... 77

Figura 5- 2: Equipos de medición utilizados para las pruebas y el sistema de recolección de datos. ........................................................................................................................ 78

Figura 5- 3: Medición para el 30 de agosto de 2016. En azul se muestra la medida de campo eléctrico ambiental y en rojo el potencial en el circuito. ....................................... 78

XVI Sistema de recolección de energía (Energy Harvesting), que emplea la


Figura 5- 4: Medición para el 31 de agosto al 1 de septiembre de 2016. En azul se muestra la medida de campo eléctrico ambiental y en rojo el potencial en el circuito. .... 79

Figura 5- 5: Medición para el periodo del 1 al 2 de septiembre de 2016. En azul se muestra la medida de campo eléctrico ambiental y en rojo el potencial en el circuito. .... 80

Figura 5- 6: Medición para el periodo del 6 al 7 de septiembre de 2016. En azul se muestra la medida de campo eléctrico ambiental y en rojo el potencial en el circuito. .... 80

Figura 5- 7: Medición para el periodo del 8 al 9 de septiembre de 2016. En azul se muestra la medida de campo eléctrico ambiental y en rojo el potencial en el circuito. La flecha en verde indica el daño del circuito de recolección de energía del campo electromagnético. ............................................................................................................ 81

Figura 5- 8: Mediciones para el periodo del 12 al 13 de septiembre. En azul se muestra la medida de campo eléctrico ambiental y en rojo el potencial en el circuito. ...................... 82

Figura 5- 9: Medición para el periodo del 13 al 14 de septiembre de 2016. En azul se muestra la medida de campo eléctrico ambiental y en rojo el potencial en el circuito. La flecha verde muestra el periodo de tiempo en el que se presentó un daño en el circuito de recolección de energía. ................................................................................................... 82

Figura 5- 10: Mediciones para el periodo comprendido entre el 15 al 23 de septiembre. En azul se muestran las medidas de campo eléctrico ambiental y en rojo las de los potenciales en el circuito. ................................................................................................ 83

Figura 5- 11: Medición para el periodo comprendido entre el 26 al 27 de septiembre de 2016. En azul se muestra la medida de campo eléctrico ambiental y en rojo el potencial en el circuito. ................................................................................................................... 84

Figura 5- 12: Mediciones para el periodo comprendido entre el 28 al 29 de septiembre de 2016. En azul se muestra la medida de campo eléctrico ambiental y en rojo el potencial en el circuito. La flecha verde indica el evento de tormenta. ........................................... 84

Figura 5- 13: Batería de Litio utilizada para los procesos de recolección de energía. ..... 85

Figura 5- 14: Equipos utilizados para la medición de los procesos de recolección. Los circuitos en color rojo son para la medición del potencial y en color azul los de medición del campo eléctrico ambiental. ........................................................................................ 86

Figura 5- 15: Proceso de carga de batería para el periodo del 29 al 30 de septiembre de 2016. En azul se muestra la medida de campo eléctrico ambiental y en rojo el potencial en el circuito. ................................................................................................................... 87

Figura 5- 16: Proceso de carga de batería para el periodo del 29 al 30 de septiembre de 2016. En azul se muestra la medida de campo eléctrico ambiental y en rojo el potencial en el circuito. ................................................................................................................... 88

Figura 5- 17: Proceso de carga para el periodo del 3 al 4 de octubre de 2016. En azul se muestra la medida de campo eléctrico ambiental y en rojo el potencial en el circuito. .... 90

Figura 5- 18: Proceso de carga para el periodo del 3 al 4 de octubre. En azul se muestra la medida de campo eléctrico ambiental y en rojo el potencial en el circuito. .................. 90

Figura 5- 19: Proceso de carga de la batería para el día 7 de octubre de 2016. ............. 91

Figura 5- 20: Proceso de carga para el periodo entre 10 y el 12 de octubre de 2016. En azul se muestra la medida de campo eléctrico ambiental y en rojo el potencial en el circuito. ........................................................................................................................... 91

Contenido XVII

Figura 5- 21: Proceso de carga para el periodo entre 7 al 12 de octubre. En azul se muestra la medida de campo eléctrico ambiental y en rojo el potencial en el circuito. .... 92

Figura 5- 22: Proceso de carga para el día 14 de octubre de 2016. En azul se muestra la medida de campo eléctrico ambiental, en rojo el potencial en el circuito y en negro la corriente corona. ............................................................................................................ 93

Figura 5- 23: Proceso de carga para el periodo del 20 al 21 de octubre de 2016. En azul se muestra la medida de campo eléctrico ambiental, en rojo el potencial en el circuito y en negro la corriente corona. Nótese la oscilación de la corriente entre los 100 a 300µA. ....................................................................................................................................... 94

Figura 5- 24: Proceso de carga para el periodo del 20 al 21 de octubre (continuación). En azul se muestra la medida de campo eléctrico ambiental, en rojo el potencial en el circuito y en negro la corriente corona. Nótese la oscilación de la corriente entre los 100 a 400µA. ....................................................................................................................................... 95

Figura 5- 25: Proceso de carga de la batería para el periodo del 24 al 25 de octubre de 2016. En azul se muestra la medida de campo eléctrico ambiental y en rojo el potencial en el circuito. Las líneas verdes indican los periodos en los cuales se presentaron tormentas. Nótese los cambios en la corriente corona asociados con la presencia de las tormentas. ...................................................................................................................... 96

Figura 5- 26: Proceso de carga de la batería para el día 26 de octubre de 2016. En azul se muestra la medida de campo eléctrico ambiental, en rojo el potencial en el circuito y en negro la corriente corona. La línea verde muestra el periodo en el cual se presentó la tormenta. Nótese los altos valores de la corriente de corona que alcanzó más de 1500µA desde que el campo eléctrico ambiental superó los 3 kV/m en polaridad positiva y 1 kV/m en polaridad negativa. .................................................................................................... 97

Figura 5- 27: Proceso de carga de la batería para el día 28 de octubre de 2016. En azul se muestra la medida de campo eléctrico ambiental y en rojo el potencial en el circuito. La línea verde muestra el periodo en el cual se presentó la tormenta. Nótese el daño de la batería a la hora 1.5. ................................................................................................... 98

Figura 5- 28: Proceso de carga de la batería para el mes de octubre de 2016. En azul se muestra la medida de campo eléctrico ambiental y en rojo el potencial en el circuito. .... 99

Figura 5- 29: Proceso de carga para el periodo del 1 al 2 de noviembre de 2016. En azul se muestra la medida de campo eléctrico ambiental y en rojo el potencial en el circuito. La línea verde muestra los 2 eventos de tormenta que se presentaron en este periodo. Nótese el proceso de carga continua de la batería. .......................................................101

Figura 5- 30: Proceso de carga para el periodo del 2 al 3 de noviembre de 2016. En azul se muestra la medida de campo eléctrico ambiental y en rojo el potencial en el circuito. Nótese el proceso continuo de carga de la batería. .......................................................101

Figura 5- 31: Proceso de carga para el periodo del 3 al 4 de noviembre de 2016. En azul se muestra la medida de campo eléctrico ambiental y en rojo el potencial en el circuito. La línea verde muestra el evento de tormenta registrado. Nótese el proceso continuo de carga de la batería. .......................................................................................................102

Figura 5- 32: Proceso de carga para el periodo del 8 al 9 de noviembre de 2016. En azul se muestra la medida de campo eléctrico ambiental y en rojo el potencial en el circuito.

XVIII Sistema de recolección de energía (Energy Harvesting), que emplea la


La línea verde muestra el evento de tormenta registrado. Nótese como el evento de tormenta produjo un claro incremento en el potencial de carga de la batería. ............... 102

Figura 5- 33: Proceso de carga para el periodo del 9 de noviembre de 2016. En azul se muestra la medida de campo eléctrico ambiental y en rojo el potencial en el circuito. Nótese el proceso continuo de carga de la batería. ...................................................... 103

Figura 5- 34: Proceso de carga de la batería a partir de tres eventos de tormenta que se presentaron en el periodo del 10 al 11 de noviembre de 2016. En azul se muestra la medida de campo eléctrico ambiental y en rojo el potencial en el circuito. Las flechas en verdes muestran los 3 eventos de tormenta registrados. .............................................. 104

Figura 5- 35: Proceso de carga para el periodo del 11 al 12 de noviembre de 2016. En azul se muestra la medida de campo eléctrico ambiental y en rojo el potencial en el circuito. ......................................................................................................................... 105

Figura 5- 36: Resumen de los procesos de carga para el periodo del 1 al 12 de noviembre de 2016, durante 124 horas. En azul se muestra la medida de campo eléctrico ambiental y en rojo el potencial en el circuito. Nótese la carga continua de la batería... 106

Figura 5- 37: Proceso de descarga para la batería LiPo. Superior, voltaje de descarga. Inferior, corriente de descarga. Nótese la discontinuidad en la hora 9, debida a un fallo al programa de registro de Labview® por un corte en el suministro eléctrico. ................... 107

Capítulo 6: Pág.

Figura 6- 1: Esquema de la celda Foto-Electro-Catalítica (FEC) ................................... 112

Figura 6- 2: Arreglo experimental para la celda FEC. .................................................... 113

Figura 6- 3: Resultados de medición en celda FEC. ..................................................... 114

Figura 6- 4: Resultados de medición en celda FEC. ..................................................... 115

Figura 6- 5: Resultados de medición en la celda FEC. La curva en azul corresponde al campo eléctrico ambiental, mientras que la curva en color rojo corresponde a la radiación UV sobre los electrodos de la celda FEC. ..................................................................... 115

Contenido XIX

Lista de tablas

Capitulo 1. Pág.

Tabla 1- 1: Factor de amplificación (estimado). .............................................................. 14

Capitulo 2. Pág.

Tabla 2- 1: Modos en cabina Blindada, a partir de (2-1) ................................................. 20

Tabla 2- 2: Modos en cabina Blindada- de CST. ............................................................ 21

Tabla 2- 3: Tensión – Corriente Corona.......................................................................... 32

Capitulo 3. Pág.

Tabla 3- 1: Señales por debajo de los 100kHz ............................................................... 46

Capitulo 5. Pág.

Tabla 5- 1: Resumen de Procesos de carga para el mes de octubre de 2016. ............... 99

Tabla 5- 2. Resumen de Procesos de carga para el mes de noviembre de 2016. .........106

Tabla 5- 3. Resumen de Procesos de carga para los meses de octubre y noviembre de 2016. .............................................................................................................................108

Tabla 5- 4. Energía para eventos de tormenta y señales de RF, periodo del 14 al 26 de octubre de 2016. ...........................................................................................................109

XX Sistema de recolección de energía (Energy Harvesting), que emplea la


Lista de Símbolos y abreviaturas

Abreviaturas

Símbolo Definición ETC Electrodo Tipo Corona RF Radio Frecuencia AM Amplitud Modulada FM Frecuencia Modulada TDT Televisión Digital Terrestre ISM Industrial Scientific Medical

VNA Vector Network Analyzer - Analizador Vectorial de Redes

TE Transversal Electromagnético

FEC Foto-Electro- Catálisis

UV Ultravioleta

Símbolos y Unidades

Símbolo Término Unidad SI Valor

Permeabilidad relativa

4 × 10

Permitividad relativa

8.85418 × 10

Contenido XXI

Contenido XXII

1 Introducción

Introducción

En el año 2012 Ariza [13] presento como uno de los resultados de su trabajo de tesis de

maestría, los criterios y diseños preliminares para la realización del primer sistema de

generación y almacenamiento de energía, proveniente de las nubes de tormenta, en este

trabajo se concluyó que es factible el uso de la corriente Corona que se genera en

condiciones de tormenta, como una fuente no convencional de energía, en el estudio se

realizaron pruebas experimentales en condiciones controladas de laboratorio, y también

pruebas de campo, en condiciones de clima seco y de tormenta, logra resultados

satisfactorios.

Para el desarrollo del proceso de generación de la corriente Corona, se utilizó un arreglo

punta-placa, donde la punta utilizada fue un electrodo tipo Corona ETC (varilla de cobre

con una aguja de radio de curvatura del orden de los micrómetros es su parte superior).

Los estudios permitieron comprobar que los ETC expuestos ante un campo eléctrico

estático, permiten amplificar el campo eléctrico que rodea el ETC, funcionando como una

fuente de corriente, la cual puede ser almacenada en elementos almacenadores de

energía, como un banco de condensadores [1].

En el estudio también fue posible determinar que la corriente Corona generada, es

directamente proporcional a la intensidad de campo eléctrico que rodea al ETC, y que

variables de tipo ambiental como el viento y la humedad relativa, pueden influir en la

formación de la corriente Corona [29]. Con relación al sistema de captura y

almacenamiento de energía proveniente de las nubes de tormenta, los circuitos

desarrollados utilizaban bancos de condensadores, los cuales presentaban fugas, y la

energía recolectada se disipaba en tiempos muy cortos.

El presente trabajo es una continuación, al trabajo desarrollado por Ariza [13],

enfocándose principalmente en el diseño e implementación de un nuevo sistema de

captura y almacenamiento de energía, pero tomando dos resultados importantes, el

primero, los ETC además de amplificar el campo eléctrico ambiental, y funcionar como

2 Introducción

fuentes de corriente Corona, pueden capturar la energía del espectro radioeléctrico, al

funcionar como antenas de banda ancha, el segundo resultado, es que en el momento de

un evento de tormenta, tanto la energía de la corriente Corona, como la energía captada

del espectro radioeléctrico pueden ser almacenadas, presentándose superposición de los

dos eventos.

Para el desarrollo del nuevo sistema de captura y almacenamiento de energía se estudió

el comportamiento de los ETC. En una primera parte se desarrollaron simulaciones de

onda completa a nivel estático de los ETC ubicados en el edificio 411, para observar su

comportamiento ante campos electrostáticos (simulación del campo eléctrico ambiental),

y como las estructuras influyen en su comportamiento. Estas simulaciones permitieron

estimar el factor de amplificación, así como el efecto de las estructuras adyacentes al

arreglo (granja) de los ETC. Posteriormente se procedió a simular el comportamiento

individual de un ETC en alta frecuencia y de un arreglo electrodos, para observar su

comportamiento como un arreglo de antenas. Para este caso se seleccionaron algunas

frecuencias de la banda de FM, las cuales fueron simuladas mediante el software de

simulación CST Studio-Microwave.

El siguiente paso fue la realización de pruebas controladas en condiciones de laboratorio,

que permitieran simular las condiciones de formación del fenómeno de corriente Corona

ambiental, para esto se utilizó como ETC un arreglo punta-placa. A esta configuración,

se la irradio con señales en la banda de FM, para simular a una pequeña escala en una

cabina blindada, el ruido del espectro radioeléctrico. Se observó el comportamiento de un

ETC ante señales en la banda de FM y como la corriente Corona es afectada ante este

tipo de señales. Con los resultados de la etapa de simulación y experimental, se procedió

al diseño e implementación de los circuitos que permitieran capturar la energía presente

en una nube de tormenta y la del espectro radioeléctrico.

Para el diseño de los circuitos se utilizó las herramienta PSpice versión estudiantil y CST

DesignStudio, así como el software online EasyEda para el diseño de los PCB.

Posteriormente se desarrolló las pruebas de los circuitos de almacenamiento en

condiciones controladas de laboratorio y finalmente en condiciones ambientales,

utilizando el arreglo de ETC ubicados en el extremo norte del edificio 411.

Por último se buscó una aplicación en la cual se pudiera utilizar la energía recolectada

por el arreglo de ETC, para esto se realizaron pruebas con el grupo de nano-materiales y

3 Introducción

compuestos del Departamento de Ingeniería Química y Ambiental, en la implementación

de una celda foto-catalítica para la realización de procesos de Hidrolisis de bajo costo.

4 Introducción

1. Capítulo: Generación de la corriente Corona en un arreglo punta-placa

El presente capitulo muestra las pruebas realizadas dentro de una cabina blindada para

la generación de corriente Corona, mediante un arreglo punta-placa en las siguientes

condiciones controladas de laboratorio: Temperatura de 20º C, Presión de 1 Atm, altura

de 2600 metros sobre el nivel del mar y blindaje electromagnético de hasta 7GHz. Este

capítulo inicia con una descripción del fenómeno de corriente Corona, posteriormente se

muestra el arreglo utilizado para las pruebas, los resultados obtenidos y finalmente se

muestran las simulaciones de onda completa que muestran de manera cualitativa el

factor de amplificación que los ETC realizan sobre el campo eléctrico que los rodea

1.1 Fenómeno de Corriente Corona

El fenómeno Corona, de acuerdo a [6-12], se presenta cuando una alta tensión es

aplicada a un electrodo, y la tensión aplicada, alcanza el valor crítico conocido “Onset

Streamer”, esto genera un canal inter-electrodico, entre la fuente de tensión y el

electrodo. Si la tensión aplicada se mantiene, y aumenta, el campo eléctrico tendrá la

fuerza necesaria para remover electrones del electrodo (cátodo). Es aquí donde los

electrones inician su difusión a través del gas con dirección al punto de alta tensión

(ánodo), este fenómeno se conoce como una avalancha de electrones. La avalancha de

electrones genera una acumulación de iones positivos cerca del ánodo, generando una

densidad positiva de iones, en la misma forma, el incremento de la avalancha de

electrones genera una acumulación de iones negativos.

A continuación se presentan la ecuación de continuidad para el fenómeno Corona, las

cuales se deducen de las ecuaciones de Maxwell, de acuerdo a las referencias [10-12].

De [12], cuando cargas eléctricas con densidad ,,, en un punto del espacio, y

con una velocidad de deriva W en dicho punto, si tomamos el diferencial para la

6 Sistema de recolección de energía (Energy Harvesting), que emplea la corriente

Corona y señales de alta frecuencia

velocidad de deriva asociada a la densidad de carga !, tenemos la densidad de

corriente para este punto en el espacio.

" = $[&/(] (1-1)

Si en ese mismo tiempo dos o más densidades de carga coexisten como electrones,

iones positivos o negativos, la densidad de corriente total es:

* = +,-, + +/-/ + +0-0[1/2] (1-2)

La ecuación (1-2) puede ser expresada para densidades de carga en general como:

" = ∑ 4$45467 [& (⁄ ] (1-3)

Integrando (1-3) podemos obtener el flujo de corriente a través de una superficie como:

9 = : " ∙ <== [&] (1-4)

Si por otra parte, calculamos la carga neta respecto a un volumen >, se tendría:

? = : < [@] (1-5)

El flujo de corriente a través de la superficie que encierra el volumen > es:

A = BCDBD = ∮ F ∙ GHI [] (1-6)

De la ecuación (1-4) y de la ecuación (1-6) se puede tomar la siguiente relación:

∮ " ∙ <== = : << < (1-7)

Por teorema de la divergencia, y la expresión en (1-7), se deduce la ecuación (1-8), la

cual es conocida como la ecuación de continuidad:

J ∙ " = − << [&/(] (1-8)

Adicionalmente la concentración de cargas cambia debido a la difusión de cargas en el

gas, para nuestro caso aire. Si asumimos un volumen especifico, el número de cargas

7

por unidad de volumen por segundo, la cual representa la tasa de cambio en la densidad

de partículas seria la siguiente:

<< = LMN

NO + N

NP + N

NQR (1-9)

La ecuación (1-9) puede ser expresada como: << = J ∙ LJ (1-10)

Donde D es el coeficiente de difusión de cargas.

Los posibles cambios en la densidad de carga son determinados por diferentes fuentes.

La primera es por procesos de ionización, que se cuantifican por S que es conocido

como el primer coeficiente de ionización, el cual depende del nivel del campo eléctrico.

Los procesos de adhesión o de unión, que es el mecanismo en que los electrones son

removidos, generando iones negativos cuando un electrón está unido a una partícula

neutra, esto es cuantificado por el coeficiente de adhesión η. Los procesos de

recombinación es otro mecanismo en que las partículas positivas y negativas se

recombinan generando partículas neutras. Esto es cuantificado por el coeficiente de

recombinación β. Sobre la otra mano la densidad de carga puede cambiar en el tiempo,

debido a fenómenos expresados por las ecuaciones (1-8) y (1-9). Estos fenómenos

físicos son tomados en cuenta para describir la corriente Corona a través de la ecuación

de continuidad (8), tanto para electrones como para iones negativos y positivos.

1.2 Pruebas de generación de corriente Corona en condiciones controladas de laboratorio

En la Figura 1-1 se muestra el arreglo experimental utilizado para la generación de

corriente Corona, mediante un arreglo punta-placa, así como los equipos usados para la

prueba experimental.



Figura 1- 1: Arreglo experimental para la generación de corriente Corona en condiciones controladas.

La separación entre el ETC y la placa es de 0.22m, la distancia entre placa superior y la

inferior es de 1.08m, lo que equivale a una relación de 1kV aplicado a 1kV/m producido

por el arreglo, no fue posible utilizar el molino de campo para la medición del campo

eléctrico, ya que el equipo presentaba falla en sus lecturas. Sin embargo, se utilizó la

misma configuración de Ariza [13] donde se reportan los valores de campo.

1.2.1 Corriente Corona a diferentes niveles de tensión en la placa

En la Figura 1-2 se muestra el potencial de circuito abierto medido en las terminales del

cable coaxial RG58, el cual está ubicado en la parte exterior de la cabina blindada. La

medida de potencial para diferentes niveles de tensión de la fuente Hipotronics se realizó

con el FLUKE 189, el cual tiene una impedancia de entrada de 10MΩ [9]. Los valores de

tensión registrados no superaron los 100V. El objetivo de esta medida fue garantizar que

no se sobrepasara la tensión límite que soporta el pico amperímetro RBD 91015, que es

de 2000V. La medición de la corriente Corona que genera el arreglo punta-placa

mostrado en la Figura 1-3 se muestran en la Figura 1-2, donde las flechas en negro

representan el tiempo en que la fuente Hipotronics, conservo el valor de tensión (valores

en rojo).

9

Figura 1- 2: Medida del voltaje de circuito abierto con FLUKE 189.

Figura 1- 3: Medida del corriente Corona con Picoamperímetro RBD 9105.



Los resultados muestran que la corriente máxima generada por el arreglo punta-placa es

de 4.4µA, para una tensión de 15kV. Este valor de corriente se mantuvo constante para

diferentes valores de resistencia de carga conectada al arreglo punta-placa, demostrando

que el arreglo punta-placa se comporta como una fuente de alta impedancia.

1.3 Simulaciones de Onda Completa y cálculo del factor de amplificación del campo eléctrico por un ETC

Las simulaciones de onda completa del arreglo punta-placa se realizaron utilizando el

módulo CST-EM Studio del software CST Studio-Suit, el cual permite resolver

problemas de campos electromagnéticos estáticos. El objetivo de simular el arreglo

punta-placa fue estimar cualitativamente la amplificación que sufre el campo eléctrico

aplicado alrededor del ETC y calcular del factor de amplificación del campo eléctrico del

ETC, utilizando la ecuación de Peek modificada.

1.3.1 Configuración de la simulación para un arreglo punta-placa

En la Figura 1-4 se muestra la configuración de la simulación en CST-EM Studio.

Figura 1- 4: Configuración de la simulación en CST-EM Studio.

11

En la esquina superior izquierda de la Figura 1-4, se presenta la distancia entre la punta y

el ETC, mientras que en la superior derecha se muestran las condiciones de Frontera

ET=0 para toda la geometría. En la imagen inferior izquierda se muestra el tamaño de las

placas y en la inferior derecha el potencial de referencia para la simulación. La distancia

entre placas fue de 1.m. Las simulaciones se realizaron para diferentes potenciales de la

placa. El primero seleccionado fue de 7kV, que fue el valor de inicio de corriente Corona,

de acuerdo a los resultados experimentales obtenidos en la sección 1.2.1.

Posteriormente se realiza un incremento en el nivel de tensión a 10kV, 12kV y finalmente

15kV, que es la tensión máxima que entrega la fuente Hipotronics.

1.3.2 Resultados obtenidos

En las siguientes figuras se muestra el valor del campo eléctrico calculado mediante el

programa CST-EM Studio para los potenciales aplicados al arreglo punta-placa de 7 kV,

10 kV, 12 kV ,14 kV y 15 kV.

Figura 1- 5: La imagen superior corresponde al cálculo de la distribución del potencial

para 7 kV aplicados a la placa. La imagen inferior corresponde al campo eléctrico en un

arreglo punta-placa.

13









En la Tabla 1-1 se muestran un resumen de los resultados obtenidos para los diferentes

niveles de tensión aplicados a la placa superior.

Tabla 1- 1: Factor de amplificación (estimado).

Tensión en

Placa [kV]

Máximo

Campo

Eléctrico

[MV/m]

Factor de

Amplificación

7 1.56 222.8

10 2.22 222

12 2.76 230

14 3.54 252.8

15 3.89 259.3

15

2. Capítulo: Caracterización de un Electrodo Tipo Corona (ETC) en condiciones controladas de laboratorio

El presente capitulo muestra la caracterización de un ETC en condiciones controladas de

laboratorio ante señales de alta frecuencia y a la inducción de una corriente Corona en el

arreglo punta-placa. Para esto se realizaron pruebas en una cabina blindada ETS

Lindgren con las siguientes dimensiones: a=3m de ancho, b=2.42m de alto y d=4.2m de

largo. Lo recomendado para este tipo de procesos de caracterización, es el uso de una

cámara Anecoica [17]. Sin embargo, el Grupo de Compatibilidad Electromagnética de la

Universidad Nacional no cuenta con ella. El objetivo de la prueba es observar como el

ETC se comporta ante señales de alta frecuencia, y ante una corriente Corona inducida

en condiciones de tormenta, en las Figuras 2-1 y 2-2 se muestra el arreglo experimental

utilizado para la caracterización del ETC.

Figura 2- 1: Arreglo experimental utilizado para la caracterización del ETC.



Figura 2- 2: Arreglo experimental utilizado para la caracterización de un ETC.

Para la caracterización de un ETC se realizaron las siguientes pruebas:

• Simulación y Medición del parámetro S11 para el ETC

• Calculo de la Ganancia del ETC, cuando este se comporta como una antena

• Pruebas de Recepción del ETC, a diferentes señales de alta frecuencia

• Comportamiento del ETC a una señal de 110MHz, y a una corriente Corona

inducida.

2.1 Simulación y Medición del parámetro S11 para el ETC

Se realizó la simulación de un ETC en el software CST, utilizando el módulo CST-

Microwave Studio. Por limitaciones de memoria en la estación de trabajo no fue posible

incluir las dimensiones reales de la aguja ubicada en la parte superior del electrodo, ya

que esta demandaría un enmallado muy fino, lo que conllevaría a un gran consumo de

recursos de memoria y procesamiento. Sin embargo, se usó una aguja con un diámetro

mayor, con igual longitud, y un escalamiento en su terminación redondeada tal como se

muestra en la Figura 2-3. En la Figura 2-3 se aprecia la geometría implementada con las

dimensiones del ETC y las condiciones de frontera implementadas- Para lo anterior, se

emplearon dos planos de simetría magnéticos para reducir el tiempo de simulación,

aprovechando que la estructura presenta simetría en los planos (y,z) y (x,z). El rango de

frecuencias de simulación fue de 500kHz hasta 900MHz, utilizándose un puerto de

parámetros S para estimular el ETC.

17

Figura 2- 3: Geometría implementada y condiciones de frontera implementadas.

En la Figura 2-4 se muestra el parámetro S11, medido y simulado para el ETC, el

proceso de medición se realizó con ayuda del analizador de redes vectorial (VNA) Agilent

E5062A, para el rango de 300kHz hasta 0.9GHz.

Figura 2- 4: Parámetro de pérdidas por retorno (S11) para el ETC.

Los resultados muestran que el ETC presenta múltiples resonancias en el rango de

frecuencias de los 300kHz, hasta los 900MHz, y que la estructura simulada, aunque no

representa fielmente a la estructura real, presenta un comportamiento similar. Sin

embargo, no reproduce la mayoría de resonancias que presenta la estructura real.



2.2 Cálculo de la Ganancia del ETC, cuando este se comporta como una antena

En CST-Microwave Studio es posible calcular la ganancia de cualquier estructura

radiante, por medio de la opción FarZone (Campo lejano) del menú Field Monitors

(monitores de campo), en las Figuras 2-5 y 2-6 se muestran los resultados obtenidos

para el ETC simulado, siendo la frecuencia de interés de 110MHz.

Figura 2- 5: Ganancia del ETC para la frecuencia de 110MHz.

Los resultados para la ganancia del ETC es de 5.36dB para la frecuencia de 110MHz,

con un ancho de haz de 34°, el software utiliza la definición [18] IEEE Std 145-1983, para

el cálculo de la ganancia.

19

Figura 2- 6: Plano E, para el ETC, el valor de máxima ganancia es de 5.4dB.

2.3 Pruebas de Recepción del ETC a señales de alta frecuencia

Después de realizado el cálculo de la ganancia del ETC y realizado el proceso de

simulación de onda completa y de medición del parámetro S11 con el analizador de

redes vectorial (VNA), se realizó una prueba de radiación del ETC a diferentes

frecuencias. Se estudiaron las bandas de FM, TDT y la de ISM en el interior de la cabina

blindada y con la puerta cerrada, siendo la potencia de transmisión de 0dBm (1mW). Sin

embargo, es necesario realizar el cálculo de la frecuencia fundamental de resonancia,

para la cabina blindada, ya que ésta presentará este comportamiento a partir de esta

frecuencia. Esta frecuencia se le conoce como modo fundamental o modo TE101.

Adicionalmente, la cabina también puede propagar otros modos, los cuales se conocen

como modos superiores.

De [19] se toma la expresión (2-1) para el cálculo de la frecuencia del modo fundamental

de la cavidad, en nuestro caso la cabina blindada:

T(UV = WX√Z[\[

]M(X^ R + MUX_ R

+ MVX< R (2-1)

Dónde:

a=3m de ancho,. b=2.42m de alto y d=4.2m de largo



εr=1 permitividad relativa del medio µr=1 permeabilidad relativa del medio

mnl: índice de los modos que puede propagar la cavidad

De [19], Si b<a<d, el modo fundamental de la cavidad es él TE101, a partir de (2-1) se

obtiene que la frecuencia fundamental en que la cabina se comporta como cavidad

resonante es de: 61.44MHz, en la Tabla 2-1 se muestran las frecuencias para otros

modos que se pueden generar en la cabina. También se realizó la simulación de la

cabina blindada, utilizando el módulo CST Microwave-Studio, el cual puede realizar el

cálculo de las frecuencias de resonancia de la cabina (eigen-valores o valores propios).

En la Figura 2-7, se muestra la geometría implementada, y en la Figura 2-8 se muestran

los 5 modos que se generan en la cabina, para los planos (x,y) y (x,z). Por último en la

Tabla 2-2 se muestra las frecuencias para los cinco modos calculados por CST

Microwave-Studio.

Tabla 2- 1: Modos en cabina Blindada, a partir de (2-1)

M n l Frecuencia [MHz] Modo

1 0 1 61.44 TE101

1 1 0 78.66 TM110

2 0 1 106.18 TE201

1 1 1 86.39 TM111

Figura 2- 7: Simulación de cabina blindada ETS-Lindgren

21

Figura 2- 8: Modos generados en cabina blindada ETS-Lindgren

Tabla 2- 2: Modos en cabina Blindada- de CST.

Modo Frecuencia [MHz]

1 70.4

2 85.8

3 92.9

Modos superiores 126.5

El cálculo realizado con (2-1) muestra que la frecuencia fundamental es de 61.44 MHz,

mientras el resultado obtenido con el simulador es de 70.4 MHz, también se muestra que

modos superiores se pueden generar en la cabina, uno de los cuales se encuentra en la

banda de FM. A continuación se presentan los resultados del comportamiento del ETC

como una antena de banda ancha, donde se lo irradiara múltiples frecuencias.

2.3.1 Resultados para frecuencias en la banda de FM

En la Figura 2-9 se observa que el ETC presenta una mayor recepción a la señal de

110MHz, con un valor de entre ±10mV, y una menor recepción a la señal de 90MHz, con



una amplitud de –5mV, también se puede observar que no se presenta una deformación

en la señal sinusoidal transmitida.

Figura 2- 9: Señales recibidas por el ETC en algunas frecuencias de la banda de FM.

2.3.2 Resultados para frecuencias en la banda de TDT

En la Figura 2-10 se observa que el ETC presenta una mayor recepción a la señales

de400MHz y 450MHz, con un valor de entre 4mV y -7mV, y las de menor recepción es la

señal de 350MHz con una amplitud de –1mV, la cual presenta deformaciones.

23

Figura 2- 10: Señales recibidas por el ETC en algunas frecuencias de la banda de TDT.

2.3.3 Resultados para frecuencias en la banda de ISM

En la Figura 2-11 se observa que el ETC no presenta una buena recepción a las señales

radiadas a partir de la frecuencia de 1500MHz, se observa una gran degradación de la

señales captadas por el ETC.

Figura 2- 11: Señales recibidas por el ETC en algunas frecuencias de la banda de ISM.



Los resultados muestran que el ETC presenta una recepción a múltiples frecuencias, en

la banda de FM, TDT e ISM, la deformación que se presenta en las señales, a partir de

las frecuencias 350MHz se debe a efectos de reverberación que se presentan en la

cabina blindada, y que esta empieza a funcionar como una cavidad resonante, para

cierta frecuencias, las cuales su semi-longitud de onda (λ/2) sean múltiplos enteros de la

longitud de la guía (λG) [19].

No fue posible radiar señales en la banda de AM, ya que no se cuenta con este tipo de

antenas en el laboratorio del Grupo de Compatibilidad Electromagnética, y por otra parte

sería necesario cambiar el arreglo experimental, por el gran tamaño que tendría este tipo

de antena.

2.4 Comportamiento del ETC a una señal de 110MHz, y a una corriente Corona inducida.

Utilizando el arreglo experimental de la Figura 2-1, se procedió a observar el

comportamiento de la corriente Corona inducida al ETC, ante una señal de 110MHz,

irradiada por la antena Bilogical HS System SAS-521-4, la potencia de transmisión (PT)

fue de 5dBm (3.16mW), se realizó un barrido con la fuente de alta tensión Hipotronics,

para simular diferentes potenciales de nube de tormenta, iniciando en 6kV, valor de inicio

del fenómeno Corona, y reportado por Ariza en [13].

En las Figuras 2-12 a 2-19 se muestra el comportamiento de la corriente Corona en

función del voltaje generado en un cable coaxial RG58 con una impedancia de entrada

de 1MΩ (Puerto del Osciloscopio Agilent DS06104A) [19]. Inicialmente se muestra el

comportamiento en el dominio del tiempo y posteriormente se presenta el procesamiento

de la señal para observar su comportamiento en el dominio de la frecuencia.

Se realizaron pruebas con la puerta de la cabina blindada abierta y cerrada, siendo la

primera prueba observar el nivel de blindaje de la cabina, pero sin radiar ninguna señal

de alta frecuencia, ni aplicar tensión a la placa. En la Figura 2-12 se muestran los

resultados obtenidos, en los cuales se observa la presencia de una pequeña señal del

orden de los mili-voltios cuando la puerta de la cabina está cerrada, mientras que en el

análisis en el dominio de la frecuencia solo fue posible determinar que la señal es de baja

frecuencia, posiblemente por debajo de los 20MHz.

25

Figura 2- 12: Comportamiento de la cabina blindada ETS Lindgren, cuando la puerta de

la cabina se encuentra abierta o cerrada.

2.4.1 Comportamiento de la corriente Corona a una señal de alta frecuencia

Se inició con un potencial en la fuente de alta tensión de 7 kV, un valor superior a 1 kV

para el inicio del fenómeno Corona para un arreglo punta-placa, según lo reportado por

Ariza en [13]. En la Figura 2-13 se muestra el comportamiento de la señal captada por el

ETC, tanto en el dominio del tiempo, como en el de la frecuencia. Para el cálculo de la

corriente Corona generada, se parte de que la impedancia de 1MΩ a entrada del

Osciloscopio Agilent DS06104A, calculándose la corriente Corona por medio de la ley de

Ohm a partir de la magnitud de la señal de Voltaje. Dicho valor concuerda con las

mediciones realizadas en el Capítulo 1. Al final de la sección se muestra la magnitud de

la corriente Corona generada, con los diferentes niveles de tensión aplicados. Sin

embargo, lo importante es observar el comportamiento de la corriente Corona, ante una

señal de alta frecuencia de 110 MHz, la cual trata de simular una señal en la banda de

FM. En las Figuras 2-13 y 2-14 se muestran los resultados obtenidos para diferentes

niveles de tensión.



En la Figura 2-13 superior se observa que, en el dominio del tiempo, la corriente Corona

generada por una tensión de 7 kV aplicada a la placa superior del arreglo punta-placa,

induce un nivel DC negativo a la señal de 110 MHz (Offset). En la Figura 2-13 inferior se

observa que, el domino de la frecuencia, la componente DC tiene una amplitud

aproximada de 0.15V, lo que equivale a una corriente Corona de 0.15µA, mientras que la

componente de la señal de 110MHz tiene un valor de 50mV.

Figura 2- 13: Fuente Corona a 7kV.

27



generada por una tensión de 10kV aplicada a la placa superior del arreglo punta-placa,

induce un nivel DC negativo a la señal de 110MHz (Offset). En la Figura 2-14 inferior se

observa que, en el domino de la frecuencia, la componente DC tiene una magnitud




generada por una tensión de 12kV aplicada a la placa superior del arreglo punta-placa,









generada por una tensión de 14kV, aplicada a la placa superior del arreglo punta-placa,






29

Figura 2- 17: Fuente Corona a 14kV


generada por una tensión de 14kV, aplicada a la placa superior del arreglo punta-placa,

induce un nivel DC negativo a la señal de 110MHz (Offset). En la Figura 2-17 inferior, se

observa que, en el dominio de la frecuencia, la componente DC tiene una magnitud






generada por una tensión de 15 kV, que es la tensión máxima de la fuente, aplicada a la

placa superior del arreglo punta-placa, induce un nivel DC negativo a la señal de 110MHz

(Offset). En la Figura 2-18 inferior, se observa que, en el domino de la frecuencia, la

componente DC tiene una magnitud aproximada de 4.5V, lo que equivale a una corriente

Corona de 4.5µA, mientras que la componente de la señal de 110MHz tiene un valor de

50mV.


generada por una tensión de 15kV, que es la tensión máxima de la fuente, aplicada a la

placa superior del arreglo punta-placa, induce un nivel DC negativo a la señal de 110MHz

(Offset). En la Figura 2-19 inferior, se observa que, en el domino de la frecuencia, la

componente DC tiene una magnitud aproximada de 4.5V, lo que equivale a una corriente

Corona de 4.5µA, mientras que la componente de la señal de 110MHz tiene un valor de

50mV.


31


2.4.2 Modelo propuesto del fenómeno y Conclusiones de la sección 2

Los resultados reportados en la sección 2.4 muestran que el ETC presenta una doble

funcionalidad, la primera es como un electrodo para la inducción de corriente Corona

ambiental, cuando una nube de tormenta se ubica sobre este, ya que la fina aguja

ubicada en su parte superior permite amplificar el campo eléctrico a su alrededor y

funcionar como una fuente de corriente, la segunda es como una antena de banda

ancha, para las bandas de AM, FM y en menor grado la banda de TDT.

También se observa que las dos señales, tanto la señal de corriente Corona, como la

señal de alta frecuencia, presentan un efecto de superposición, la cual dependiendo de la

polaridad del campo eléctrico que rodee al ETC, pueden adicionarse o restarse. Estos

resultados permiten concluir que es posible utilizar las dos fuentes no convencionales de

energía, para el diseño de un sistema de recolección de energía (Energy Harvesting). En

la Tabla 2-3 se muestra la corriente Corona generada con relación a la tensión aplicada

por la fuente Hipotronics.



Tabla 2- 3: Tensión – Corriente Corona.

Tensión [kV] Corriente Corona [µA]

7 0.15

10 0.5

12 1.3

14 2.2

15 4.5

Los resultados en condiciones controladas mostraron que la señal de RF incidente sobre

el ETC (onda plana) sufre un desplazamiento en amplitud (offset de voltaje) cuando se

genera corriente Corona sobre el ETC, con estos resultados es posible determinar un

modelo tentativo del fenómeno para la configuración de un sólo electrodo. Tomando las

ecuaciones de corriente Corona propuesta por Bazelyan [34] y Ariza-Romàn [13], y

asumiendo una señal de alta frecuencia de tipo sinusoidal se tendría que la corriente total

que se genera en el ETC es:

`ab = `cb ± `eb[]2 − 1 Dónde iC(t) es la corriente Corona ambiental que puede generarse en un electrodo a una

altura h (en m) del suelo, con un campo eléctrico (en V/m) de trasfondo (background

electric field) durante un periodo de medición, r1 es el radio de la carga espacial que se

forma en la parte superior del ETC (en m), y una velocidad del viento W (en m/s) la cual

para valores superiores a 10m/s se utiliza la expresión (2-2) propuesta por Bazelyan [14]

y para tiempo menores a este valor se utiliza la expresión (2-3) propuesta por Ariza-

Román [15].

`cb = ghijkiDlmno pqrstun v[] > 10xI 2 − 2

`cb = ghijy.ozkiD[kiD|jn.~n]mno pqrounv[] < 10xI 2 − 3

33

La señal de alta frecuencia iS(t) que incide sobre el ETC se representa en (2-4), que

para nuestro caso es una sinusoidal simple para una simplificación del modelo de la

corriente total iT(t), ya que una señal tanto con modulación en AM y FM tiene una

estructura más compleja, sin contar que debe tenerse en cuenta los factores de

propagación, coeficientes de reflexión y atenuación por la presencia de estructuras y

obstáculos en la línea de vista del ETC.

`eb = x sin2b[]2 − 4 En la Figura 2-20, parte superior izquierda se muestra el resultado de utilizar las

expresiones (2-2), y en la parte superior derecha se utiliza la expresión (2-3), para el

cálculo de la corriente Corona a una altura del ETC de 12m y 30m, con un r1=1m, y una

velocidad del viento de 12m/s (para 2-2) y 5m/s (para 2-3). En la parte inferior de la

Figura 2-20 se muestra el campo eléctrico ambiental utilizado para el cálculo, el cual se

tomó de un archivo de medición realizado con el molino de campo EMF-100 BOLTEK.



Figura 2- 20: Calculo de la corriente Corona utilizando las expresiones (2-2) y (2-3)

En la Figura 2-21 se muestra el cálculo de la corriente total iT(t), utilizando una señal de

amplitud con Am=0.001A y una frecuencia f=100MHz. Se puede observar la inserción de

un offset en la señal de alta frecuencia por parte de la corriente Corona calculada con las

expresiones (2-2) y (2-3).

35

Figura 2- 21: Resultados del cálculo de la corriente iT(t)

3. Capítulo: Caracterización del arreglo de ETC

En los capítulos 1 y 2 se describe tanto el comportamiento de los ETC en condiciones

controladas de laboratorio como las pruebas realizadas al ETC. Se comprobó que los

ETC además de amplificar el campo eléctrico que los rodea, pueden funcionar como una

fuente de corriente, captando la energía presente en el espectro radioeléctrico y

funcionando como una antena de banda ancha (antena tipo Monopolo). En el presente

capitulo se realiza la caracterización del arreglo de 5 ETC ubicados en el costado norte

del edificio 411, los cuales se muestran en la Figura 3-1. En una primera parte se

realizara su caracterización con relación a las señales presentes en el espectro

radioeléctrico, tanto en el dominio del tiempo como en el dominio de la frecuencia.

Posteriormente se muestran las simulaciones realizadas con el software CST Studio Suit,

utilizando el módulo CST-EM, para observar el comportamiento, e interacción del arreglo

de los 5 ETC con las estructuras que los rodean. Se buscaba especialmente observar la

influencia que podrían ejercen las estructuras de altura superiores a las del arreglo de los

5 ETC, enfatizándose en la influencia del mástil de 30 metros, el cual se utilizará para la

medición de corriente Corona ambiental.

38 Sistema de recolección de energía (Energy Harvesting), que emplea la corriente Corona

y señales de alta frecuencia

Figura 3- 1: Arreglo de electrodos ubicados en el edificio 411.

En la Figura 3-1 se muestra el arreglo de ETC ubicados en el costado norte del edificio

411 de la Universidad Nacional. Los ETC están ubicados a una altura de 22 metros,

conectándose al centro de medición por medio de un cable coaxial Belden con

impedancia de 50Ω. Las señales recogidas por los ETC son conducidas por medio de

este único cable coaxial hacia el centro de medición, ubicado en el mismo edificio 411.

Para evitar que el impacto de una descarga atmosférica pueda causar un incidente a los

estudiantes, personal científico, o a la infraestructura en equipos, se procedió a instalar

un Varistor, teniendo presente que cada uno de los 5 ETC que pertenecen al arreglo,

cuentan con su propio sistema de puesta a tierra. En la Figura 3-2 se muestra el Varistor

mencionado y en la Figura 3-3 se muestra la ubicación de los 5 ETC, tomando como

referencia el edificio 411.

Figura 3- 2: Varistor ubicado al final del coaxial que recoge las señales de los ETC

39

Figura 3- 3: Vista superior, los puntos en azul muestran la ubicación de cada uno de los

ETC pertenecientes al arreglo, y su distanciamiento entre cada uno de ellos.

3.1 Análisis en el dominio de la frecuencia

Para el análisis en el dominio de la frecuencia del arreglo de ETC, se realizaron dos tipos

de análisis: El primer análisis fue la medición del parámetro de pérdidas por retorno S11,

por medio del analizador de redes vectorial (VNA) Agilent E5062A. Este análisis se

realizó para toda la banda de medición del equipo, la cual es de 300kHz a 3GHz. La

medición de este parámetro permitió ver las frecuencias a las cuales presenta mayor

receptividad (frecuencias de resonancia) el arreglo de los 5 ETC. El segundo análisis se

realizó por medio del analizador de espectros Agilent N9340B, para toda la banda de

medición del equipo, la cual es de 100kHz a 3GHz. Este análisis permitió observar

cuanta potencia se recibe de las frecuencias para las cuales el arreglo de ETC presenta

mayor receptividad (frecuencias de resonancia).

3.1.1 Análisis de Pérdidas por Retorno (S11)

En sistemas de comunicaciones se realiza este análisis [21] para observar el

comportamiento en el dominio de la frecuencia de un dispositivo con relación a sus

pérdidas por retorno. Por pérdidas por retorno se entiende aquí, que si se transmite una

potencia PT, cuanta de esta potencia PT es devuelta por reflexiones en el sistema. Para



nuestro caso, si la potencia que se refleja, está alrededor de los –10dB (0.1mW) o inferior

a esta, se dice que el sistema esta acoplado, y que se transmitirá o recibirá cualquier

señal que se encuentre en la frecuencia donde el parámetro por perdidas por retorno S11

tenga dicho valor. Para el caso del arreglo de los 5 ETC se identificarán las frecuencias

de mayor receptividad (Frecuencias de resonancia).

En la Figura 3-4 se muestran los equipos usados para el proceso de medición del

parámetro S11.

Figura 3- 4: Arreglo experimental para la medición del parámetro S11.

La medición del parámetro de pérdidas por retorno S11 se realizó antes y después del

Varistor, esto se hizo para observar si el Varistor mostraba algún efecto. Sin embargo, los

resultados no mostraron ninguna variación; en la Figura 3-5 se muestran los resultados

obtenidos para la banda de 300kHz a 3GHz.

41

Figura 3- 5: S11, para la banda de 300kHz a 3000MHz

Se puede observar que el arreglo de ETC presenta múltiples frecuencias de resonancia

en la banda de 300kHz a 3GHz. Estas múltiples resonancias muestran el

comportamiento como un arreglo de antenas de banda ancha. En la Figura 3-6, se

muestra que la frecuencia de 110 MHz, en la banda de FM, puede ser captada por el

arreglo de electrodos para el rango de frecuencias de 300kHz a 500MHz.

Figura 3- 6: Parámetro S11 para los 5 ETC, medido en el rango de frecuencias de

300kHz a 500MHz.

Para la banda de 500MHz a 1000MHz se pueden observar en la Figura 3-7 que se

presentan múltiples frecuencias de resonancia.



Figura 3- 7: S11 para el rango de frecuencias de 500MHz a 1000MHz.

En la Figura 3-8 se muestra el parámetro S11 para las frecuencias de1000MHz a

3000MHz, se puede observar la recepción de algunas frecuencias en la banda ISM.

Figura 3- 8: S11 para el rango de frecuencias de 1000MHz a 3000MHz.

Con los resultados obtenidos del análisis de parámetros de dispersión, del parámetro por

pérdidas por retorno S11, se procedió a realizar el análisis espectral en el dominio de la

frecuencia para tener un estimado de la potencia captada por el arreglo de ETC en

diferentes frecuencias [22].

43

3.1.2 Análisis en el dominio de la Frecuencia con el N9340B

En la Figura 3-9 se muestran los equipos utilizados para el proceso de medición del

espectro en frecuencia de la señal captada por los ETC.

Figura 3- 9: Arreglo experimental para análisis espectral del arreglo de ETC.

En la Figura 3-10, se muestra el resultado obtenido para la banda de 100kHz a 3GHz. En

la figura se observa que las frecuencias de FM y TDT son captadas por el N9340B, en

las Figuras 3-11 y 3-12, se muestra una ampliación para estas frecuencias.

Figura 3- 10: Espectro en frecuencia para la banda de 300kHz a 3000MHz.



Figura 3- 11: Espectro en frecuencia para el rango de frecuencias de 50MHz a 150MHz.

Figura 3- 12: Espectro en frecuencia para el rango de frecuencias de 400MHz a 600MHz.

45

3.1.3 Análisis en el dominio del Tiempo y de la Frecuencia.

En la Figura 3-13 se muestran los equipos utilizados para el proceso de medición del

espectro en frecuencia de la señal captada por el arreglo de ETC.

Figura 3- 13: Equipos para la medición en el domino del tiempo.

Se realizaron mediciones en el dominio temporal con el Agilent DSO6014A, de la señal

captada por el arreglo de los 5 ETC. Para realizar el pre-procesamiento de las señales se

realizaron diferentes capturas con diferentes escalas de tiempo y observar las

componentes espectrales en el dominio de la frecuencia [23]. Esto se hace para observar

el comportamiento de las señales que se ubiquen por debajo de los 100kHz, ya que el

límite inferior del analizador de espectros N9340B es de este valor. La medida se realizó

con el osciloscopio flotante (alimentado por la UPS) y aterrizado, conectado a la tierra del

edificio, a continuación se muestran los resultados obtenidos:

En la Figura 3-14 se observa una señal tomada con 200µs por división en la escala

temporal. Con una amplitud de entre ±3V. En el dominio de la frecuencia se observa la

presencia de 8 señales, mientras que en la Tabla 3-1 se muestra la frecuencia de la

señal y su magnitud.



Tabla 3- 1: Señales por debajo de los 100kHz

Frecuencia [kHz] Magnitud [V]

10 0.5

30 0.43

40 0.56

72.3 0.38

111.4 0.4

150 0.2

187.3 0.37

228.3 0.2

Figura 3- 14: Señal con 200µs por división en la escala temporal.

En la Figura 3-15 se observa una señal con 0.5µs por división en la escala temporal. En

el dominio de la frecuencia se observa la presencia 1 señal para la frecuencia de

1000KHz. Finalmente en la Figura 3-16 se observa una señal con 0.1µs por división en la

escala temporal. En el dominio de la frecuencia se observa la presencia de la banda de

FM.

47

Figura 3- 15: Señal con 0.5µs por división en la escala temporal.

Figura 3- 16: Señal con 0.1µs por división en la escala temporal.



3.1.4 Discusión de la sección 3.1

Los resultados muestran que los 5 ETC ubicados en el costado norte del edificio

411.presentan un comportamiento de antenas de banda ancha, en nuestro caso un

arreglo de antenas de banda ancha, el análisis en el dominio de la frecuencia mostró que

el arreglo de ETC pueden captar múltiples señales en la banda de 300kHz a 3GHz. Sin

embargo, en el análisis en el dominio del tiempo mostró que el arreglo de ETC puede

captar señales por debajo de esta frecuencia, como son señales entre 10kHz y 60kHz, de

las cuales pertenecen a bandas de comunicación marítima [24], pero su valor en

magnitud es elevado, lo cual dejaría la opción que señales como la producida por un

balasto electrónico (30kHz) se inducen también en el arreglo de ETC, aunque el análisis

para señales de 60Hz y harmónicos de esta frecuencia resultaron negativos.

3.2 Estudio Electroestático del arreglo de ETC a las estructuras cercanas

En el año 2014 se instaló un mástil de 30 metros de altura, su objetivo es la medición y

almacenamiento de la corriente Corona, partiendo de los estudios realizados por [25],

donde a mayor altitud de ubicación de un ETC, este puede lograr mayores valores de

corriente Corona. Esto se debe a que la distancia entre la nube y el electrodo se reduce

(distancia interelectródica). Sin embargo, las estructuras alrededor del mástil podrían

sufrir un efecto de apantallamiento con relación al capo eléctrico ambiental, la presente

sección realiza un estudio estimativo de cuál sería el efecto de disminución del campo

eléctrico que tendrían los ETC, ante la presencia del mástil.

Se realizaron dos simulaciones de onda completa con el módulo CST-EM Studio, la

primera solo contempla los ETC sin la presencia del mástil, la segunda simulación ya

contempla esta estructura.

3.2.1 Configuración de la simulación en CST-EM Studio.

En las Figuras 3-17, 3-18 y 3-19 se muestran las estructuras implementadas en el

software CST-EM Studio, las cuales son los edificios 411 (Laboratorios de Ingeniería

Mecánica y Eléctrica) y 412 ( Laboratorio de Ingeniería Química), también se

implementaron los ETC, pero como varillas de 50mm de diámetros, y con una

49

terminación redondeada de 25mm, ya que la implementación con las medidas reales de

las estructuras demandarían un enmallado muy fino, y en consecuencia, requerimiento

muy elevados en memoria y procesamiento de computo. Para simular el campo eléctrico

de fondo (Background Electric Field), se ubicó una lámina de conductor perfecto (PEC) a

una distancia de 100m sobre las estructuras, el potencial de la placa fue de 100V. Las

condiciones de fronteras por defecto son ET=0 (Figura 3-19)

Figura 3- 17: Geometrías implementadas en CST-EM Studio.



Figura 3- 18: Geometrías implementadas en CST-EM Studio.

Figura 3- 19: Condiciones de frontera para la simulación ET=0.

51

3.2.2 Resultados para estructuras sin la presencia de mástil de 30 metros.

En la Figura 3-20 se muestra el potencial utilizado para la simulación, se observa que no

se presentan variaciones por la presencia del arreglo de ETC ubicados en el edificio 411

y en su costado norte.

Figura 3- 20: Potencial sobre las estructuras, sin mástil.

En la Figura 3-21 se muestra un estimado del campo eléctrico que se genera en el

arreglo de ETC sin la presencia del mástil. El campo eléctrico en magnitud es de

aproximadamente 41.4V/m.



Figura 3- 21: Superior, campo eléctrico sobre arreglo de ETC, inferior, campo eléctrico sobre arreglo de ETC, líneas de contorno, sin la presencia del mástil.

53

3.2.3 Resultados para estructuras con la presencia de mástil de 30 metros.

En la Figura 3-22 se muestra el potencial utilizado para la simulación, se observa que se

presentan variaciones por la presencia del mástil ubicado entre los edificios 411 y 412.

Figura 3- 22: Potencial sobre las estructuras, con mástil.

En la Figura 3-23 se muestra un estimado del campo eléctrico que se genera en el

arreglo de ETC con la presencia del mástil. El campo eléctrico en magnitud es de

aproximadamente 38.2V/m, lo que muestra una reducción por la presencia de la

estructura de 30 metros



Figura 3- 23: Superior, campo eléctrico sobre arreglo de ETC, inferior, campo eléctrico

sobre arreglo de ETC, líneas de contorno, con la presencia del mástil.

Por último se muestra un estimado del campo eléctrico que se genera en la parte

superior del mástil, la estructura de la canastilla superior es de material PEC y en la parte

55

superior se terminó con un ETC de iguales dimensiones a los implementados para el

edificio 411.

Figura 3- 24: Superior, campo eléctrico en ETC ubicado sobre el mástil, inferior, campo

eléctrico en ETC ubicado sobre el mástil, líneas de contorno.



3.2.4 Discusión de resultados de la sección 3.2

Los resultados de la sección 3.2 muestran que el mástil tiene un leve efecto de

apantallamiento sobre el arreglo de ETC. Debe tomarse en cuenta, que en las

simulaciones no se usaron las dimensiones reales de los ETC por los requerimientos de

memoria y procesamiento que demandaría al sistema de cómputo. Sin embargo, este

estudio muestra que el arreglo de ETC y el molino de campo EFM-100 ubicados en el

edificio 411, presentarían influencia en su desempeño por la presencia del mástil. Se

podría estimar un factor de corrección en la medida del molino de campo ubicado en el

edificio 411 con la ubicación de otro molino de campo en la parte superior del mástil, este

procedimiento permitiría obtener una buena aproximación del campo eléctrico ambiental

(grounded electric field) para el posterior cálculo del factor de amplificación de los ETC

[21].

57

4. Capítulo: Implementación de Circuitos Recolectores de Energía.

Los resultados de la sección 2.4 y 3.2 mostraron que un ETC posee una doble

funcionalidad, la primera como una antena de banda ancha para la recepción de señales

presentes en el espectro radioeléctrico y la segunda como una fuente de corriente

Corona. Por lo cual es necesario el diseño de dos circuitos que permitan recolectar la

energía de las dos fuentes no convencionales de energía. Para las señales de RF se

utilizaron circuitos conversores de RF a DC, los cuales utilizan diodos Schottky en

configuración de detector o puente rectificador y capacitores para filtrar las señales

recibidas [27] y [28], en la Figura 4-1 se presenta un esquema de este tipo de circuitos,

también se implementó un circuito multiplicador de voltaje en configuración Willard [29],

pero los resultados no fueron satisfactorios, su diseño, implementación y resultados

obtenidos se muestran en el Anexo A. Como elemento de almacenamiento de las dos

fuentes de energía no convencionales se utilizó una batería de Litio.

Figura 4- 1: Esquema de conversión de RF a DC.

Para el almacenamiento de la corriente Corona se parte de los trabajos realizados por

Ariza [13], los cuales se basaron en el uso de bancos de condensadores para la

recolección de la corriente Corona. Sin embargo, fue necesario replantear este tipo de



sistema de recolección, por las fugas de corriente que presentaban los condensadores, y

la respuesta lenta a cambios rápidos y repentinos, tanto en polaridad y en amplitud en la

corriente Corona cuando suceden eventos de tormenta. Para resolver este tipo de

problemas se utilizó una batería de Litio para el almacenamiento, una etapa de

rectificación para los cambios de polaridad en la señal Corona, y una etapa de regulación

para evitar los aumentos de potencial en los terminales de la batería, los cuales

causarían su daño, en la Figura 4-2 se muestra un esquema sobre el proceso de

conversión de Corona a DC

Figura 4- 2: Esquema de conversión de Corona a DC.

Finalmente se implementó un tercer circuito, el cual es la combinación de los circuitos de

recolección de energía de RF y Corona, esto se realizó, ya que cuando sucede un evento

de tormenta, el factor de amplificación de campo eléctrico del arreglo de ETC generaba

potenciales en la entrada del circuito que superaban los 70 voltios, lo cual causaba un

daño en el circuito de recolección de señales de RF y en la batería. En la figura 4-3 se

muestra un esquema de funcionamiento del circuito, el cual utiliza interruptores

controlados por voltaje para conmutar entre los dos circuitos, la señal de conmutación

proviene de la tarjeta de adquisición de datos NI6008 de National Instruments, como

señal de control se utilizó el valor del campo eléctrico ambiental que proporcionaba el

molino de campo BOLTEK EMF-100.

59

Figura 4- 3: Esquema de conversión de Corona a DC y RF a DC.

4.1 Circuito de Recolección de corriente Corona

Para el circuito de recolección de corriente Corona se utilizó un puente rectificador con

diodos 1N4148, los cuales pueden soportar potenciales superiores a los 70V y responder

a los cambios en polaridad y amplitud de la corriente Corona cuando se presenta un

evento de tormenta, como elemento regulador se utilizó un diodo Zener de 3.9V para

regular el voltaje en la batería de Litio, la cual presenta un voltaje nominal de 3.7V, en la

Figura 4-4 se muestra el circuito implementado en el simulador CST Design-Studio.

4.1.1 Simulación en CST Design-Studio

Para la simulación en CST Design-Studio se ingresaron los modelos Spice para el diodo

1N4148, y el diodo Zener BZX de 3.9V, para modelar la batería se utilizó el modelo de

una batería con una fuente de voltaje de alta impedancia a 3.7V y una resistencia en

serie RB = 10Ω [30]. Como fuente de pruebas se utilizó un puerto en modo diferencial,

donde se realizaron pruebas con señales de alta frecuencia, insertando niveles DC de

voltaje de polaridad positiva y negativa, los cuales simulan el comportamiento de la

corriente Corona en condiciones de tormenta. En la Figura 4-5 se observa la respuesta

del circuito a una señal de Corona positivo, con señales de alta frecuencia de 1MHz y



90MHz. En la Figura 4-6 se observa la respuesta del circuito a una señal de Corona

negativo, con señales de alta frecuencia de 1MHz y 90MHz. Los resultados muestran que

aunque se conserva un potencial positivo en las terminales de la batería, no se mantiene

un potencial necesario para la carga de esta, lo cual se debe a que el modelo de

simulación de la batería utilizada no es el apropiado.

Figura 4- 4: Circuito de recolección de corriente Corona.

Figura 4- 5: Resultados de simulación Corona positivo.

61

Figura 4- 6: Resultados de simulación Corona negativo

4.1.2 Implementación del circuito de recolección de corriente Corona

En la Figura 4-7 se muestra el circuito implementado en una tarjeta universal.

Figura 4- 7: Circuito de recolección Corona.



4.1.3 Pruebas en condiciones controladas.

Se utilizó el arreglo experimental de las pruebas de caracterización del ETC (Figura 2-1),

para realizar las pruebas al circuito de recolección, el objetivo es medir el potencial de

circuito abierto a la salida del puente rectificador. La antena Bilogical radiara señales en

la banda de FM al ETC, enseguida se enciende la fuente Hipotronics de alta tensión, por

un periodo de 120 segundos, con un incremento de 4kV (inicio de Corona) hasta alcanzar

los 13KV aproximadamente, posteriormente se disminuye la tensión en la fuente de alta

tensión, en las Figuras 4-8 y 4-9 se observan los resultados obtenidos, los cuales

muestran que al iniciar el fenómeno de Corriente Corona (flechas en rojo en las

imágenes) se induce un incremento en el potencial en las terminales de salida del puente

rectificador, el cual puede alcanzar los 14V. Para estas pruebas no se incluyó la fase de

regulación en la carga, ya que se necesitaba comprobar el máximo potencial que se logra

con la fuente de alta tensión.

Figura 4- 8: Pruebas en cabina de circuito de recolección.

63

Figura 4- 9: Pruebas en cabina de circuito de recolección.

4.2 Circuito de Recolección de señales del espectro radioeléctrico

Se utilizó un conector con conversor de BNC a SMA, para la transición de la línea coaxial

a línea de cinta (PCB), el ancho de la línea fue de 5.2mm, con un largo de 11,4mm, esto

conforma la red de acople [31], se utilizó el sustrato Rogers 5880 con una constante

dieléctrica de 2.2. Para la conversión de RF a DC se utilizó un puente rectificador con

diodos Schottky 1N5711 y MBD301-D, los cuales presentan un potencial en polarización

directa de 0.36V y funcionan en la banda de VHF y UHF. La configuración en puente

rectificador con diodos Schottky, es ampliamente utilizada en circuitos mezcladores de

RF [32]. Finalmente para disminuir el rizado en la señal de carga para la batería, se

utiliza un condensador electrolítico de 4.7µF. En la Figura 4-10 se muestra el circuito

implementado en el simulador.


Para la simulación del circuito se toma el mismo modelo de la batería utilizada en la

sección 4.1.1. Se realizan dos simulaciones, la primera con una señal de 90MHz y una

amplitud de 4V, la cual se observa en la Figura 4-11, la segunda simulación se realiza



con la mezcla de dos señales de 90MHz y 100MHz con amplitudes 2V y 4V, en la Figura

4-12 se muestra el resultado obtenido.

Figura 4- 10: Circuito de recolección de señales de RF.

Figura 4- 11: Resultados de simulación a señales de alta frecuencia.

65

Figura 4- 12: Resultados de simulación a señales de alta frecuencia.

Los resultados muestran que el circuito realiza la conversión de RF a DC. Sin embargo,

fue necesario incrementar la amplitud de las señales de RF, ya que en la realidad la

amplitud de una señal de FM no es mayor a 1V. El uso de este valor en amplitud no fue

posible, debido a que el modelo de la batería implementada en el simulador no

presentaba buenos resultados.

4.2.2 Implementación del circuito de recolección de corriente Corona

En la Figura 4-13 se muestra el circuito implementado en sustrato Rogers 5880, en la

parte superior derecha el PCB implementado, en la parte superior derecha el circuito

montado, en la parte inferior el circuito conectado a una batería de montaje superficial

Cymbet de 3.7V y capacidad de 50µAh.

Figura 4- 13: Prueba e implementación del circuito.



4.2.3 Pruebas en condiciones controladas.

La primera prueba consistió en ver la relación de conversión de RF a DC del circuito,

para esto se alimentó el circuito con el generador de RF con señales en la banda de FM

y dos pertenecientes a la banda de TDT, la potencia mínima de entrada fue de -

10dBm (0.1mW), y la máxima de 22dBm (158mW), el potencial DC se midió con el

multímetro FLUKE 189, en la Figura 4-14 se muestran los resultados obtenidos.

Figura 4- 14: Conversión RF a DC para el circuito.

La segunda prueba es parecida a la primera, pero se utiliza el arreglo experimental del

capítulo 2 (Figura 2-1), para medir la relación de conversión RF a DC, cuando la señal de

RF es transmitida por la antena Bilogical, también se utilizaron señales pertenecientes a

la banda de FM (80MHz, 90MHz, 110MHz y 120MHz). La potencia mínima de entrada

fue de 0dBm (1mW), y la máxima de 22dBm (158mW). Sin embargo, debe tenerse en

cuenta las perdidas en los cables de transmisión y recepción, la ganancia de la antena

Bilogical y del ETC, las pruebas se realizaron con la puerta abierta y cerrada de la cabina

blindada, el potencial DC se midió con el multímetro FLUKE 189.

67

Figura 4- 15: Pruebas de conversión RF a DC para el circuito.


En las Figuras 4-15 y 4-16 se muestran los resultados obtenidos, los cuales muestran

que para señales de RF de 80MHz y 90MHz se presenta un potencial de entre 4V y 5V,

caso contrario a las señales 110MHz y 120MHz, donde el potencial generado está por

debajo de los 2V. La tercera prueba consistió en activar la fuente de alta tensión a un

potencial de 6kV y observar cómo se comporta el circuito, cuando se activa la fuente de

RF por un periodo de 120 segundos (flecha en verde). La potencia se fijó en 22dBm y

las frecuencias de las señales fueron de 80MHz y 90MHz, en las figuras 4-17 y 4-18 se

muestran los resultados obtenidos.





La cuarta y última prueba, fue observar el comportamiento en el dominio del tiempo y de

la frecuencia, ante las señales de RF y la inducción de una señal Corona, a la salida del

circuito. En las Figuras 4-19 (puerta cerrada) y 4-20 (puerta abierta) se muestra que la

componente DC es la de mayor amplitud, y que también se presentan las componentes

de las señales de RF (80, 90 y 120MHz), y sus segundos harmónicos. Finalmente en la

69

Figura 4-21 se muestra como el potencial generado por la conversión de RF a DC del

circuito enciende un diodo LED.





Figura 4- 21: Prueba de conversión de RF a DC para el circuito.

4.3 Circuito de Recolección 3

El circuito tres es la combinación de los circuitos 1 y 2, con la adición de una etapa de

control que permita el uso del circuito 2 cuando no se presenten condiciones de

tormenta, y el circuito 1 cuando existan condiciones de tormenta. Como señal de control

se utiliza la medida de campo eléctrico ambiental, la cual provee el molino de campo,

esta señal permite que en el momento que el campo eléctrico ambiental sea igual o

mayor a 1kV/m (inicio de un evento de tormenta) se conmute entre el circuito 2 al 1, por

medio de interruptores controlador por voltaje. Si el campo eléctrico ambiental disminuye

de este valor, se realiza el proceso de conmutación al circuito 2.


Para la simulación del circuito de recolección 3 se adicionan interruptores controlados por

voltaje, la señal de control es un pulso con un periodo de 7µs. cuando la señal de control

tiene un valor de 1V, se activara el circuito 2, cuando la señal de control tiene un valor de

0.1V se activara el circuito 1. Las señales de los interruptores se referencia a la tierra del

circuito. Como señal de prueba se usa una señal sinusoidal de 12µs, con una amplitud

de ±12V. En la Figura 4-22 se muestra el circuito implementado, y en la Figura 4-23 se

muestra el resultado de la simulación, la cual muestra que el circuito 1 no se activa, se

realizaron nuevas simulaciones. Sin embargo, los resultados no fueron satisfactorios, lo

71

cual se debe a que el modelo circuital de los interruptores no funcionaba bien a tiempos

de conmutación de la escala de los microsegundos. Posteriormente se intentaron nuevas

simulaciones con tiempos en la escala de los milisegundos, pero por capacidad de

memoria de la estación de trabajo, estas no lograron terminarse.

Figura 4- 22: Circuito de recolección 3.

Figura 4- 23: Simulación del Circuito de recolección 3.

4.3.2 Implementación del circuito de recolección.

Se realizó la implementación del circuito, utilizando la señal del molino de campo como

control de los interruptores para la conmutación de los circuitos, el interruptor utilizado fue

un CD4006, el cual tiene cuatro interruptores controlados por una señal digital, la señal



digital se genera cuando el campo eléctrico ambiental es igual o superior a 1kV/m, este

proceso de comparación de la señal de campo eléctrico ambiental es realizada por un

programa en Labview, el cual toma la medida análoga del molino de campo, lo compara

con el umbral de 1kV/m y envía las señales a los interruptores para la conmutación entre

el circuito 1 y 2. En la Figura 4.24 se muestra el PCB implementado en sustrato Rogers

5880 y en la Figura 4-25 se muestra el programa implementado en Labview.

Figura 4- 24: Implementaciones para el Circuito de recolección 3.

Figura 4- 25: Programa implementado en Labview.

4.4 Pruebas en Condiciones Ambientales de los Circuitos Implementados.

Para las pruebas ambientales se utilizó el arreglo de ETC ubicados en el costado norte

del edificio 411, se realizaron las pruebas para el circuito 1 y 2, se realizó la medida en el

73

dominio del tiempo y en el dominio de la frecuencia del potencial de salida de cada uno

de los circuitos, para esto se utilizó la configuración experimental de la sección 3 (Figura

3-13). En las Figuras 4-26 y 4-27 se muestra el resultado obtenido, donde se observa

que el circuito 2 (recolector de señales de RF) logra un potencial cercano a los 7.8V, y el

circuito 1 (recolector de señal Corona) de 6.4V, en el dominio de la frecuencia también se

observa la presencia de la banda de FM.

Figura 4- 26: Resultados de pruebas ambientales.




En las Figuras 4-28 y 4-29 se muestra las medidas de la señal de potencial tanto en el

dominio del tiempo, como en el dominio de la frecuencia para los dos circuitos, tomando

una escala temporal de 5ms por división, esto es para observar la presencia de señales

de baja frecuencia en los circuitos. En la Figura 4-29 se observa la presencia de la señal

de 60 Hz y su harmónico de 120 Hz para la señal del arreglo de ETC.



75

No se realizó la prueba de tipo ambiental en condiciones de tormenta, ya que el potencial

que genera el arreglo de ETC puede alcanzar los 100V bajo dichas condiciones, y esto

pondría en riesgo el equipo de medida.

4.5 Discusión de la sección 4.

Los resultados en este capítulo muestran el diseño, simulación e implementación de los

circuitos recolectores de la energía de las fuentes no convencionales de energía, como

son la energía del espectro radioeléctrico y la proveniente de la corriente Corona en

condiciones de tormenta, se realizaron pruebas experimentales en condiciones

controladas de laboratorio y a nivel ambiental, las cuales resultaron satisfactorias, tanto

para el circuito de recolección de señales de RF, como para el de corriente Corona, Se

toma la teoría de diseño de circuitos de RF como son los detectores y los mezcladores

para la realización de los conversores de RF a DC, por otra parte para la corriente

Corona se utilizan circuitos básicos de electrónica análoga básica, como lo son los

puentes rectificadores de onda completa y reguladores de tensión. Se implementó un

tercer circuito con una etapa de control, el cual permite conmutar entre ambos circuitos.

Cuando un evento de tormenta suceda se pondrá en funcionamiento el circuito 1, cuando

el evento de tormenta finalice se pondrá en funcionamiento el circuito2, esto se hace para

aprovechar las dos fuentes no convencionales de energía. En el próximo capítulo se

muestran los resultados del proceso de recolección de energía con los circuitos

implementados.



5. Capítulo: Pruebas del Sistema de Recolección de Energía

En este capítulo se muestran los resultados obtenidos de los procesos de recolección de

las dos fuentes no convencionales de energía para los meses de septiembre a

noviembre. También se muestra el uso de los circuitos implementados como posibles

detectores del inicio de un evento de tormenta. Se utilizó el arreglo de los 5 ETC

ubicados en el costado norte del edificio 411. Durante los procesos de medición se

realizó el registro simultáneo del potencial de carga de las baterías de Litio y del campo

eléctrico ambiental por medio de un molino de campo eléctrico Boltek EFM-100, cuya

ubicación se muestra en la Figura 5-1. Esto se realizó para tener una referencia del inicio

de los eventos de tormenta, su duración y su influencia en los procesos de recolección de

energía. De acuerdo a Bezalyan [33] y [34], el inicio de un fenómeno de tormenta está

asociado directamente con un incremento en el campo eléctrico ambiental y por

consiguiente en un incremento de la corriente Corona que se genera en un electrodo

aterrizado y sometido a este campo eléctrico ambiental. Para nuestro caso, esto se

manifestará en un incremento en el potencial que el arreglo de los 5 ETC generará a la

salida del cable coaxial que conecta a cada uno de éstos. Se consideró que un evento de

tormenta inicia cuando el campo eléctrico ambiental es igual o mayor a un 1 kV/m tanto

para polaridad positiva, como negativa [35].

Como se mostró en la sección 4.4 del capítulo anterior, los resultados de las pruebas

ambientales mostraron que el potencial de circuito abierto alcanzado por los circuitos

implementados presenta valores de 6.4 V y 7.8 V para condiciones de clima normal. De

acuerdo a los resultados de las pruebas en condiciones controladas del capítulo 2, se

espera que cuando suceda un evento de tormenta, el potencial de circuito abierto

77

aumente unas decenas de voltio, este aumento repentino en el potencial de circuito

abierto de los circuitos, indicaría el inicio de un evento de tormenta y podría servir como

un sistema de alarma de tormenta de bajo costo para zonas apartadas.

Figura 5- 1: Ubicación del Molino campo EFM-100.

5.1 Circuitos recolectores como detectores de eventos de tormenta

En el marco de esta investigación se realizaron mediciones durante los meses de agosto

y septiembre de 2016, periodo en el cual se presentaron 4 eventos de tormenta. La

Figura 5-2 muestra los equipos de medida utilizados para las pruebas y el sistema de

recolección de datos, siendo las variables medidas las siguientes:

• Campo Eléctrico Ambiental

• Potencial de circuito abierto en Circuito de Recolección de Energía

En la Figura 5-3 se muestran los resultados de las mediciones realizadas el día 30 de

agosto de 2016. En azul se muestra la medida de campo eléctrico ambiental y en rojo el

potencial en el circuito. Los resultados muestran que no ocurrió evento de tormenta y el

potencial generado se debió a las señales de RF.



Figura 5- 2: Equipos de medición utilizados para las pruebas y el sistema de recolección

de datos.

Figura 5- 3: Medición para el 30 de agosto de 2016. En azul se muestra la medida de campo eléctrico ambiental y en rojo el potencial en el circuito.

Para el periodo del 31 de agosto al 1 de septiembre se realiza el mismo proceso de

medición por un periodo de casi 12 horas, observándose en la Figura 5-4 que el primer

79

evento de tormenta se presentó a partir de la hora 6 (11:17 PM del 31 de agosto), hasta

la hora 10 (3:16 AM del 1 de septiembre). El evento de tormenta produjo un incremento

en el potencial del circuito de alrededor de 60V, alcanzando el campo eléctrico ambiental

los 2 kV/m. Igualmente se observan en la Figura 5-4 múltiples caídas de voltaje en el

potencial del circuito, mostrando cómo, al finalizar el evento de tormenta, el potencial en

el circuito regresó a su valor de 6V, presumiblemente debido a las señales de RF. Sin

embargo, se presentó el daño del circuito recolector de energía, y se hizo necesario

reemplazar el circuito para la realización de nuevas mediciones.

Figura 5- 4: Medición para el 31 de agosto al 1 de septiembre de 2016. En azul se

muestra la medida de campo eléctrico ambiental y en rojo el potencial en el circuito.

Para el mes de septiembre de 2016 se obtuvieron 11 registros, con la ocurrencia de tres

eventos de tormenta, dos de los cuales produjeron daño en los circuitos de recolección

de energía. En la Figura 5-5 se muestran los resultados para un periodo de 19 horas del

1 al 2 de septiembre, donde no se presentaron eventos de tormenta. En este caso el

campo eléctrico ambiental no supero los 700V/m (superior en azul) y el potencial en el

circuito se mantuvo entre 7.7V a 8V (inferior en rojo). Para el periodo del 6 al 7 de

septiembre de 2016 mostrado en la Figura 5-6, se realizó un registro por un periodo de



24 horas. Durante este periodo de tiempo no se presentaron cambios en el campo

eléctrico ambiental, ni en el potencial del circuito.

Figura 5- 5: Medición para el periodo del 1 al 2 de septiembre de 2016. En azul se




81

Para el periodo entre el 8 al 9 de septiembre de 2016, se presentó entre la hora 13

(3:52AM del 9 de septiembre) y la hora 14 (5:15AM del 9 de septiembre), el segundo

evento de tormenta. En la Figura 5-7 se puede apreciar una caída en el potencial en el

circuito (flecha en verde imagen inferior), el cual se debe al daño de este. Posteriormente

se realizó el reemplazo del circuito para continuar con las mediciones


muestra la medida de campo eléctrico ambiental y en rojo el potencial en el circuito. La

flecha en verde indica el daño del circuito de recolección de energía del campo

electromagnético.

Para el periodo del 12 al 13 de septiembre, se realizó una medición de aproximadamente

16 horas, y no se presentaron cambios importantes en el campo eléctrico ambiental, ni

en el potencial del circuito, Figura 5-8.

En la Figura 5-9: se muestra el registro para el día 13 de septiembre de 2016, periodo en

el cual se realizó una medición durante aproximadamente de 17 horas. Durante este

periodo de tiempo se presentó el tercer evento de tormenta entre la hora 3 (12.50PM del

13 de septiembre) y la hora 6 (2.36PM del 13 de septiembre de 2016). La flecha en azul

muestra la caída de potencial generada en el circuito, la cual revela un daño parcial en el

circuito.



Figura 5- 8: Mediciones para el periodo del 12 al 13 de septiembre. En azul se muestra la

medida de campo eléctrico ambiental y en rojo el potencial en el circuito.


muestra la medida de campo eléctrico ambiental y en rojo el potencial en el circuito. La

flecha verde muestra el periodo de tiempo en el que se presentó un daño en el circuito de

recolección de energía.

83

En las Figuras 5-10 se muestran los registros para el periodo del 15 al 23 de septiembre

de 2016. En esta figura, las dos gráfica superiores izquierdas corresponden a las

mediciones de campo eléctrico ambiental en azul y al potencial en el circuito, en rojo,

obtenidas el 15 de septiembre de 2016. En esta misma Figura 5-10, se aprecian los

mismos parámetros de campo eléctrico ambiental y potencial en el circuito de acuerdo a

la siguiente distribución: La gráfica superior derecha corresponde al periodo del 20 de

septiembre de 2016; la gráfica inferior izquierda corresponde al periodo comprendido

entre el 21 y el 22 de septiembre de 2016, mientras la gráfica inferior derecha

corresponde al periodo comprendido entre el 22 al 23 de septiembre de 2016. Se puede

observar en la Figura 5-10 que no se presentaron eventos de tormenta, el campo

eléctrico ambiental no supero el valor de 1 kV/m y el potencial generado en circuito se

mantuvo constante entre 8 y 10 V (potencial generado por la energía del espectro

radioeléctrico)

Figura 5- 10: Mediciones para el periodo comprendido entre el 15 al 23 de septiembre.

En azul se muestran las medidas de campo eléctrico ambiental y en rojo las de los

potenciales en el circuito.



En la Figura 5-11 se muestra la medición para el periodo comprendido entre el 26 al 27

de septiembre de 2016, donde no se presentaron eventos de tormenta.

Figura 5- 11: Medición para el periodo comprendido entre el 26 al 27 de septiembre de

2016. En azul se muestra la medida de campo eléctrico ambiental y en rojo el potencial

en el circuito.

Figura 5- 12: Mediciones para el periodo comprendido entre el 28 al 29 de septiembre de


en el circuito. La flecha verde indica el evento de tormenta.

85

En la Figura 5-12 se muestra el registro para el periodo comprendido entre el 28 y el 29

de septiembre de 2016, periodo en el cual se presentó el cuarto evento de tormenta, el

cual tuvo una duración aproximada de 32 minutos (4:33PM a 5:05PM del 28 de

septiembre de 2016). En esta figura se puede observar que el evento de tormenta

produjo un incremento en el potencial en el circuito de aproximadamente 80V, cuando el

campo eléctrico ambiental realizo un cambio entre 2 kV/m a -2 kV/m (flecha en verde

imagen superior).

5.2 Pruebas de recolección en circuitos implementados

Se muestra el proceso de recolección de energía con los circuitos implementados para

los meses comprendidos entre finales de septiembre y mediados de noviembre

(temporada invernal para la zona de Cundinamarca). Durante los procesos de registro se

presentaron múltiples eventos de tormenta, se utilizaron dos tipos de baterías de Litio con

potencial nominal de 3.7 V, pero con diferentes capacidades. En la Figura 5-13 se

muestran las baterías utilizadas. En la Figura 5-14 se muestran los equipos utilizados

para la medición de los procesos de recolección de energía, indicándose en color rojo los

circuitos para la medición del potencial y en color azul los correspondientes a la medición

del campo eléctrico ambiental.

Figura 5- 13: Batería de Litio utilizada para los procesos de recolección de energía.



Figura 5- 14: Equipos utilizados para la medición de los procesos de recolección. Los

circuitos en color rojo son para la medición del potencial y en color azul los de medición

del campo eléctrico ambiental.

5.2.1 Recolección de energía para el mes de Septiembre de 2016

Para el mes de septiembre de 2016 se realizó el proceso de carga de la batería de Litio,

utilizando el circuito 2 por un periodo de 25 horas. Durante el proceso de carga se

registraron dos eventos de tormenta. Durante el segundo evento de tormenta se produjo

una descarga profunda en la batería debido a los incrementos en amplitud y cambios

repentinos en polaridad del campo eléctrico ambiental, lo cual es directamente

proporcional al potencial que se genera en el circuito. En la Figura 5-15 se muestran los

dos eventos de tormenta ocurridos y en la Figura 5-16 una ampliación de estos (flechas

en verde). El primer evento de tormenta ocurrió entre la hora 9 (2:57PM del 29 de

87

septiembre de 2016) y la hora 10 (3:46PM del 29 de septiembre de 2016), mientras el

segundo evento de tormenta inició en la hora 25, con una duración aproximada de 41

minutos (12:37PM a 1:18PM del 30 de septiembre de 2016). En este segundo evento se

observa un incremento repentino en el potencial de carga de la batería, el cual causo un

daño en el circuito 2 de recolección de energía y una descarga en la batería, pero sin

presentar daño en esta.

Figura 5- 15: Proceso de carga de batería para el periodo del 29 al 30 de septiembre de


en el circuito.



Figura 5- 16: Proceso de carga de batería para el periodo del 29 al 30 de septiembre de


en el circuito.

5.2.2 Recolección de energía para el mes de Octubre de 2016

Para los procesos de recolección de energía del mes de octubre de 2016 se presentaron

11 eventos de tormenta, el primero de los cuales causó un daño irreversible en la batería

con capacidad de 20 mAh, siendo necesario el uso de una nueva batería con potencial

de 3.7V y capacidad de 850 mAh; la batería se descargó de manera previa hasta un

potencial de 2.2 V.

A continuación se presentan los resultados obtenidos durante los procesos de carga de

baterías durante el mes de octubre de 2016.

Para el periodo comprendido entre el 3 y 4 de octubre de 2016, se realizaron tres

registros de carga, los cuales se muestran en la Figura 5-17. En este periodo se reinició

el proceso de carga de la batería, ya que ésta se había descargado por los eventos de

tormenta del 28 al 30 de septiembre de 2016. En las primeras 6.5 horas no se

presentaron eventos de tormenta (graficas superior e inferior lado izquierdo de la Figura

89

5-17). Posteriormente, para el segundo registro de datos, se presentaron dos eventos de

tormenta, el primero de los cuales causó un daño irreversible en la batería con capacidad

de 20 mAh y el circuito de carga. El primer evento ocurrió entre la hora 6 (3:10PM del 4

de octubre) y la hora 8 (5:42PM del 4 de octubre).

Un tercer registro mostrado en la Figura 5-18, se presentó un segundo evento de

tormenta, el cual ocurrió entre la hora 10 (8:06PM del 4 de octubre) y la hora 11 (9:02 del

4 de octubre), tal como se indica con la flecha verde de esta gráfica. Como resultado de

este evento, se puede observar que la batería y el circuito a pesar de estar dañadas por

el primer evento de tormenta, lograron reaccionar al cambio en la polaridad del campo

eléctrico ambiental.

Para el proceso de carga de baterías del día 7 de octubre de 2016 y mostrado en la

Figura 5-19, se reinició el proceso de carga, utilizando la batería 850 mAh de capacidad.

Este día se presentó el tercer evento de tormenta, el cual tuvo una duración de

aproximadamente dos horas (2:58PM a 5:02PM del 7 de octubre de 2016), observándose

un claro proceso de carga de la nueva batería, el cual no se vio afectado por el evento de

tormenta, el cual alcanzo los 4kV/m.

Para el periodo del 8 al 9 de octubre de 2016, se debió suspender el proceso de registro,

ya que los fines de semana el Laboratorio de Ensayos Eléctricos e Industriales LABE,

lugar donde se encuentran los equipos, se encuentra cerrado. Por lo anterior, se retomó

el proceso de recolección de energía el día 10 de octubre, lográndose dos registros en un

periodo de aproximadamente 20 horas comprendidas entre el 10 y 12 de octubre de

2016. Durante este periodo se presentaron los eventos de tormenta cuarto y quinto, los

cuales se muestran en la Figura 5-20, en el lado izquierdo el cuarto evento, y el quinto al

lado derecho. El quinto evento inició en la hora 2 (10:56AM del 12 de octubre) y finalizo

en la hora 3 (12:00PM del 12 de octubre). Durante estos eventos de tormenta, el proceso

de carga de la batería presento pequeños incrementos de potencial, como lo indican las

curvas rojas en la Figura 5-20.



Figura 5- 17: Proceso de carga para el periodo del 3 al 4 de octubre de 2016. En azul se


Figura 5- 18: Proceso de carga para el periodo del 3 al 4 de octubre. En azul se muestra

la medida de campo eléctrico ambiental y en rojo el potencial en el circuito.

91

Figura 5- 19: Proceso de carga de la batería para el día 7 de octubre de 2016.

Figura 5- 20: Proceso de carga para el periodo entre 10 y el 12 de octubre de 2016. En

azul se muestra la medida de campo eléctrico ambiental y en rojo el potencial en el

circuito.

En la Figura 5-21 se muestra un consolidado del proceso de carga de la batería para el

periodo comprendido entre el 7 al 12 de octubre, apreciándose una discontinuidad en el

proceso de carga en la batería, para la hora 10, esto se debe a que el sistema de

adquisición de datos perdió su suministro eléctrico y se perdieron los registros.



Figura 5- 21: Proceso de carga para el periodo entre 7 al 12 de octubre. En azul se


Se continuó con el proceso de carga el día 14 de octubre, fecha en la cual se presentó el

sexto evento de tormenta, el cual inició en la hora 0.5 (12:57PM del 14 de octubre), y

finalizó en la hora 1.5 (2:00PM del 14 de octubre). Para este periodo fue posible registrar

la corriente de carga con el Multímetro FLUKE189, se usó un filtro de media móvil para

disminuir el ruido de la señal de potencial de la batería. El registro de datos se realizó por

un periodo de casi 5 horas, no fue posible el registro de más datos, ya que el suministro

eléctrico fue suspendido en el edificio 411.

En la Figura 5-22 se puede observar que el proceso de carga permanece constante, pero

con incrementos repentinos en el potencial de carga de la batería. Sin embargo, el mayor

93

cambio se presenta en la corriente de carga, la cual presenta cambios con respecto al

cambio de polaridad del campo eléctrico ambiental durante el evento de tormenta.

Para los días 15 al 19 de octubre, no se realizó registros de procesos de recolección de

energía porque no se presentaron eventos de tormenta.

Figura 5- 22: Proceso de carga para el día 14 de octubre de 2016. En azul se muestra la

medida de campo eléctrico ambiental, en rojo el potencial en el circuito y en negro la

corriente corona.

Para el periodo del 20 al 22 de octubre no se presentaron eventos de tormenta, y el

proceso de carga en la batería continuo de manera normal, con la presencia de

incrementos repentinos en el potencial de carga, los cuales se filtraron con ayuda de un

filtro de media móvil para tener una tendencia de la señal de potencial, la corriente



presento cambios de magnitud que oscilaban entre los 100 a 200µA, en las Figuras 5-23

y 5-24 se observan los resultados obtenidos para las 24 horas de registro.

Figura 5- 23: Proceso de carga para el periodo del 20 al 21 de octubre de 2016. En azul

se muestra la medida de campo eléctrico ambiental, en rojo el potencial en el circuito y

en negro la corriente corona. Nótese la oscilación de la corriente entre los 100 a 300µA.

95

Figura 5- 24: Proceso de carga para el periodo del 20 al 21 de octubre (continuación). En

azul se muestra la medida de campo eléctrico ambiental, en rojo el potencial en el circuito

y en negro la corriente corona. Nótese la oscilación de la corriente entre los 100 a 400µA.

Para el periodo comprendido entre el 24 y el 26 de octubre de 2016, se presentaron los

eventos de tormenta séptimo al noveno, mostrados en la Figura 5-25 mediante las

flechas de color verde. El séptimo evento de tormenta inició a la hora 0 (1:50PM del 24

de octubre de 2016), y termino a la hora 5 (6:17PM del 24 de octubre de 2016), mientras

que el octavo evento de tormenta inicio a la hora 10 (12:00PM del 25 de octubre de

2016), y termino a la hora 11.5 (2:37PM del 25 de octubre). El noveno evento de

tormenta inicio a la hora 18 (4:24PM del 25 de octubre de 2016) y finaliza a la hora 19

(5:15PM del 25 de octubre de 2016). Nuevamente se observa que el potencial de carga

en la batería presenta incrementos repentinos durante las 24 horas de registro y es

necesario el uso del filtro de media móvil. Sin embargo, es en el registro de la señal de

corriente que se observan incrementos directamente relacionados con el cambio en la

polaridad del campo eléctrico ambiental, con valores cercanos a los 2kV/m.



Figura 5- 25: Proceso de carga de la batería para el periodo del 24 al 25 de octubre de


en el circuito. Las líneas verdes indican los periodos en los cuales se presentaron

tormentas. Nótese los cambios en la corriente corona asociados con la presencia de las

tormentas.

Durante el periodo de registro de 6 horas del 26 de octubre de 2016 se registró el décimo

evento de tormenta, mostrado en la Figura 5-26 mediante la flecha verde. El evento de

tormenta inició en la hora 1 (11:25AM del 26 de octubre de 2016) y finalizo en la hora 5

(3:32PM del 26 de octubre de 2016). El potencial de carga de la batería se mantuvo

estable con referencia a la señal filtrada. Sin embargo, el mayor cambio se presentó en la

corriente de carga de la batería, donde la corriente pasó de 350µA a 1500µA en el

intervalo del evento de tormenta, donde el campo eléctrico ambiental alcanzo niveles

superiores a los 3kV/m en polaridad positiva y 1kV/m en polaridad negativa.

97

Figura 5- 26: Proceso de carga de la batería para el día 26 de octubre de 2016. En azul

se muestra la medida de campo eléctrico ambiental, en rojo el potencial en el circuito y

en negro la corriente corona. La línea verde muestra el periodo en el cual se presentó la

tormenta. Nótese los altos valores de la corriente de corona que alcanzó más de 1500µA

desde que el campo eléctrico ambiental superó los 3 kV/m en polaridad positiva y 1 kV/m

en polaridad negativa.

Para el día 28 de octubre de 2016 se presentó un evento de tormenta con duración de 6

horas. Sin embargo, sólo fue posible realizar una medición por un periodo de dos horas,

registrándose el undécimo evento de tormenta, tal como se muestra mediante la flecha

en verde en la Figura 5-27. La causa de no tener más registros, fue que por la intensidad

de las lluvias, el suministro eléctrico en el laboratorio LABE fue suspendido. Igualmente,

no fue posible adquirir la señal de corriente de carga de la batería, ya que el Multímetro

FLUKE 189 presentaba estado de batería baja y su lectura deja de ser confiable. El

undécimo evento de tormenta mostrado en la Figura 5-27 inicia a la hora 0.8 (11:42AM

del 28 de octubre de 2016) y termina a la hora 2 (12:54PM del 28 de octubre de 2016).



Tal como se aprecia en la figura, la intensidad del evento de tormenta causo una caída

en el potencial de la batería y un daño en el circuito de recolección, el cual se registra a

la hora 1.5 (12:27PM del 28 de octubre).

Figura 5- 27: Proceso de carga de la batería para el día 28 de octubre de 2016. En azul

se muestra la medida de campo eléctrico ambiental y en rojo el potencial en el circuito.

La línea verde muestra el periodo en el cual se presentó la tormenta. Nótese el daño de

la batería a la hora 1.5.

En la Figura 5-28 se muestra un resumen del proceso de carga de la batería, para el mes

de octubre, el cual tuvo una duración de 110.28 horas, en la parte inferior de la Figura 5-

28 se observa que el potencial de la batería paso de 3.1V a 3.45V, antes del evento de

tormenta del 28 de octubre, el cual causo una descarga parcial de la batería.

99

Figura 5- 28: Proceso de carga de la batería para el mes de octubre de 2016. En azul se


Finalmente en la Tabla 5-1 se da un resumen sobre los procesos de recolección para el

mes de octubre de 2016.

Tabla 5- 1: Resumen de Procesos de carga para el mes de octubre de 2016.

Eventos de

tormenta

medidos

Duración de

Medición

[horas]

Campo

Eléctrico

Máximo

Positivo

[kV/m]

Campo

Eléctrico

Máximo

Negativo

[kV/m]

Campo

Eléctrico

Promedio

[kV/m]

Tiempo total de

eventos de

tormentas

[horas]

11 110.28 3.98 -4.41 0.25 16.88



5.2.3 Recolección de energía para el mes de Noviembre de 2016

Se continuó con el proceso de carga para la batería utilizando el circuito 3 de recolección

de energía, el cual cuenta con una etapa de regulación en el potencial de carga de la

batería (Diodo Zener). A continuación se muestran los resultados obtenidos para el

periodo de medición del 1 al 12 de noviembre de 2016, periodo en el cual se registraron

siete eventos de tormenta, dos de los cuales presentaron intensidades de campo

eléctrico ambiental de 5.15kV/m en polaridad positiva y –5.14kV/m en polaridad negativa.

En la Figura 5-29 se muestra los resultados para el día 1 de noviembre de 2016, donde

se presentaron 2 eventos tormenta, el primero inicia a la hora 0.9 (1:09PM del 1 de

noviembre de 2016) y termina a la hora 4.1 (4:24PM del 1 de noviembre de 2016),

mientras que el segundo evento de tormenta inició a la hora 5.3 (5:39PM del 1 de

noviembre de 2016) y finaliza a la hora 8.3 (8:02PM del 1 de noviembre de 2016). El

primer evento causo una caída en el potencial de la batería. Sin embargo, esto es debido

a la intensidad del evento de tormenta, y a un error en el proceso de conmutación de los

circuitos de recolección, ya que para eventos de tormenta se utiliza el circuito 1, y fue

activado el circuito 2, el cual no presenta etapa de regulación en la carga, y puede

responder a eventos de tormenta de baja intensidad, lo cual ocasiono una caída en el

potencial de la batería.

Para el segundo evento de tormenta no se presentó caída en el potencial de la batería, y

el proceso de carga continuo de manera normal. Para el periodo comprendido entre el 2

al 3 de noviembre de 2016 no se presentaron eventos de tormenta y el proceso de carga

continuo normalmente, como se observa en la Figura 5-30.

101

Figura 5- 29: Proceso de carga para el periodo del 1 al 2 de noviembre de 2016. En azul


La línea verde muestra los 2 eventos de tormenta que se presentaron en este periodo.

Nótese el proceso de carga continua de la batería.



Nótese el proceso continuo de carga de la batería.

En la Figura 5-31 se presenta el tercer evento de tormenta del mes de noviembre de



2016, correspondiente al periodo del 3 al 4 de noviembre de 2016. El cual tuvo una

duración de aproximadamente 6 horas, se observa su inicio en la hora 4.1 (12:29PM del

3 de noviembre) y finalización en la hora 10.2 (7:16PM del 3 de noviembre). La batería

continúo con su proceso de carga normal.



La línea verde muestra el evento de tormenta registrado. Nótese el proceso continuo de

carga de la batería.

En la Figura 5-32 se muestra el proceso de recolección de energía para el periodo del 8

al 9 de noviembre de 2016, en el cual se presentó el cuarto evento de tormenta del mes

de noviembre de 2016. Este proceso inició a la hora 5 (2:11PM del 8 de noviembre de

2016) y terminó en la hora 8.4 (6:58PM del 8 de noviembre de 2016). El proceso de

carga continúa normalmente, observándose como el evento de tormenta produjo un claro

incremento en el potencial de carga de la batería. Tal como se muestra en la Figura 5-33,

durante el periodo del 9 de noviembre de 2016 no se registraron eventos de tormenta, sin

embargo, la batería continuó cargándose.



103

La línea verde muestra el evento de tormenta registrado. Nótese como el evento de

tormenta produjo un claro incremento en el potencial de carga de la batería.

Figura 5- 33: Proceso de carga para el periodo del 9 de noviembre de 2016. En azul se


Nótese el proceso continuo de carga de la batería.



Los eventos de tormenta del quinto al séptimo del mes de noviembre de 2016 mostrados

en la Figura 5-34, se presentaron durante el periodo del 10 al 11 de noviembre de 2016.

El quinto evento inició a la hora 4 (12:52PM del 10 de noviembre de 2016) y finalizo a la

hora 6 (2:00PM del 10 de noviembre de 2016), mientras el sexto evento inicio a la hora

7.9 (3:48PM del 10 de noviembre de 2016) y finalizo a la hora 8.6 (4:57PM del 10 de

noviembre de 2016). Finalmente, el séptimo evento, el cual inicia a la hora 11.3 (7:32PM

del 10 de noviembre) y termina en la hora 17.8 (2:01AM del 11 de noviembre). Nótese en

la Figura 5-34 como los eventos de tormenta incrementaron el potencial de carga de la

batería. En la Figura 5-35 muestra como en el periodo del 11 al 12 de noviembre no se

registraron eventos de tormenta, sin embargo, el proceso de carga continuó

normalmente.

Figura 5- 34: Proceso de carga de la batería a partir de tres eventos de tormenta que se

presentaron en el periodo del 10 al 11 de noviembre de 2016. En azul se muestra la

medida de campo eléctrico ambiental y en rojo el potencial en el circuito. Las flechas en

verdes muestran los 3 eventos de tormenta registrados.

105

Finalmente, en la Figura 5-36 se muestra un resumen del proceso de recolección de

energía para el periodo del 1 al 12 de noviembre, el cual tuvo una duración de 124 horas.

En este periodo la batería incremento su potencial de 3.05V a 3.5V, donde se muestra

que es posible recolectar la energía tanto del campo eléctrico de las tormentas como del

campo electromagnético.

Figura 5- 35: Proceso de carga para el periodo del 11 al 12 de noviembre de 2016. En

azul se muestra la medida de campo eléctrico ambiental y en rojo el potencial en el

circuito.



Figura 5- 36: Resumen de los procesos de carga para el periodo del 1 al 12 de

noviembre de 2016, durante 124 horas. En azul se muestra la medida de campo eléctrico

ambiental y en rojo el potencial en el circuito. Nótese la carga continua de la batería.

En la tabla 5-2 se muestran los resultados obtenidos para el periodo de noviembre de 2016.

Tabla 5- 2. Resumen de Procesos de carga para el mes de noviembre de 2016.

Eventos de

tormenta

medidos

Duración de

Medición

[horas]

Campo

Eléctrico

Máximo

Positivo

[kV/m]

Campo

Eléctrico

Máximo

Negativo

[kV/m]

Campo

Eléctrico

Promedio

[kV/m]

Tiempo total de

medición de

eventos de

tormentas [horas]

7 123.8 5.15 -5.14 0.22 28.46

Finalmente, el proceso de recolección de la energía termina con el proceso de uso de la

energía almacenada en la batería. El proceso de descarga de la batería se muestra en la

Figura 5-37. Para descargar la batería se utilizó un circuito formado por un arreglo en

107

paralelo de dos resistencia de 433 Ω conectadas cada una en serie a un diodo LED, la

corriente solicitada por la carga fue de 17.08mA. Las curvas de descarga de voltaje y

corriente mostrada en la Figura 5-37 presenta una discontinuidad en la hora 9, debida a

que el programa de registro de datos de Labview® dejo de funcionar por un periodo de 7

horas debido a un corte en el suministro eléctrico. Posteriormente se reactivó el

programa de registro, el cual registro una hora de datos hasta que la batería perdió la

totalidad de su carga almacenada.

Figura 5- 37: Proceso de descarga para la batería LiPo. Superior, voltaje de descarga.

Inferior, corriente de descarga. Nótese la discontinuidad en la hora 9, debida a un fallo al

programa de registro de Labview® por un corte en el suministro eléctrico.

Para conocer el porcentaje de carga alcanzado por la batería durante los meses de

octubre y noviembre de 2016, se calcula la capacidad alcanzada durante el proceso de

recolección. Para esto se integra la corriente obtenida durante el proceso de descarga de

la batería respecto al tiempo del proceso [36].



= `bGb[mAh]5 − 1D6a

D6

El valor obtenido es de 159.3 mAh, lo que equivale aproximadamente a c de la capacidad

total de la batería. También se calculó la energía utilizada durante el proceso de descarga de la batería utilizando la expresión (5-2).

= |`b>b|Gb[J]5 − 2D6a

D6

De 5-2 se tiene que el valor de energía almacenado por la batería para los meses de

octubre y noviembre fue de 1963.4 J, lo que equivale aproximadamente a una sexta parte

de la energía total de la batería, la cual es de 11322 J.

En la Tabla 5-3 se recopila los datos que relacionan los procesos de carga y los eventos de tormenta.

Tabla 5- 3. Resumen de Procesos de carga para los meses de octubre y noviembre de

2016.

Eventos de

tormenta

Medidos

Duración total de

Mediciones

[horas]

Capacidad

Alcanzada

[mAh]

Energía

almacenada

[J]

Tiempo total de

medición de eventos

de tormentas [horas]

18 234.08 159.3 1963.4 45.34

5.2.4 Discusión y conclusiones de la sección 5.

Los circuitos recolectores 1 y 2 lograron detectar campos eléctrico ambientales iguales o

superiores a ±2kV/m, mostraron buenos resultados para una posible implementación de

un sistema de alarma temprana para eventos de tormenta de bajo costo en zonas

apartadas, donde la adquisición de equipos de detección no sería viable por razones de

costo.

Los circuitos recolectores mostraron resultados parcialmente satisfactorios, con relación

a la recepción de señales del espectro radioeléctrico y la corriente Corona, los dos

circuitos mostraron una buena respuesta con relación a la conversión de RF a DC, donde

109

se presentaron potenciales de entre 6.4 V a 7.8 V para condiciones de buen tiempo

(campos eléctricos ambientales inferiores a ±1kV/m), estos valores son superiores al

potencial 3.7V de la batería de polímero de Litio, por lo cual fue posible la realización de

procesos de carga de la batería. Con respecto a los procesos de recolección de corriente

Corona, se demostró que es posible su almacenamiento (Tabla 5-4), a pesar de que en

las primeras pruebas se produjo daño en los primeros prototipos de los circuitos y una

descarga prematura de la batería de polímero de Litio, debido al incremento repentino del

potencial generado por el arreglo de ETC cuando sucedían eventos de tormenta, los

cuales se correlacionaban con incrementos y cambios de polaridad en los campos

eléctricos ambientales. Sin embargo, la inclusión de una etapa de regulación y control

entre los circuitos de recolección permitieron superar estos problemas, y permitir que se

cargara la batería de polímero de Litio. Con relación al porcentaje de energía que es

recolectada de las dos fuentes no convencionales de energía se realizó el análisis de

cuatro procesos de medición para el periodo del 14 al 26 de octubre del 2016, donde se

calculó la energía cuando se presentaban eventos de tormenta y cuando estos no

estaban presentes, para iguales periodos de tiempo, por medio de la expresión (5-2). En

la Tabla 5-4 se resume los valores obtenidos.

Tabla 5- 4. Energía para eventos de tormenta y señales de RF, periodo del 14 al 26 de

octubre de 2016.

Señales

presentes

Figura Periodo de

Evento de

Tormenta

[Horas]

Periodo de

Señales de

RF [Horas]

Energía

Almacenada en

evento de

tormenta [J]

Energía

Almacenada de

señales de RF

[J]

Energía

Total [J]

Corona y

RF

Figura 5-22 2.36 2.36 4.93 4.83 9.76

RF Figura 5-23 0 10.47 0 25.75 25.75

RF Figura 5-24 0 13.75 0 33.03 33.03

Corona y

RF

Figura 5-25

evento 1 4.04 4.04 10.53 6.99 17.52

Corona y

RF

Figura 5-25

evento 2 4.04 4.04 8.29 7.2 15.49

Corona y

RF

Figura 5-25

evento 3 4.04 4.04 5.05 4.39 9.44

6. Capítulo: Posibles usos de la Energía Recolectada

En el capítulo 5 se comprobó que es factible la recolección de las dos fuentes no

convencionales de energía y se realizó la carga de una batería de Litio por un periodo de

124 horas (5 días). Posteriormente se utilizó la energía recolectada en un circuito básico

compuesto por una resistencia y un diodo LED, siendo la corriente suministrada a la

carga de 8.33 mA, conservándose la carga de batería por un periodo de

aproximadamente 10 horas. Estos resultados demuestran que es posible utilizar la

energía recolectada en aplicaciones de bajo consumo, como serian sensores remotos y

aplicaciones Bluetooth de bajo consumo.

A continuación se presenta el uso directo de la energía que proveen los ETC para el

desarrollo de un proceso de hidrolisis de bajo costo. Por lo general estos procesos se

basan en la descomposición de compuestos que contengan Hidrogeno para su

obtención, procesos como la electrolisis, hidrolisis de amidas o el desarrollo de celdas de

Hidrogeno representan costos representativos.

Actualmente el Grupo de investigación en materiales, catálisis y medio ambiente ha

venido desarrollando investigaciones en nuevos materiales a escala nanotecnológica y la

utilización de estos nuevos materiales en procesos que permitan la generación de

elementos como el Hidrogeno. La generación del Hidrogeno se logra gracias al desarrollo

de una celda de Foto-Electro- Catálisis (FEC), la cual se presenta esquemáticamente en

la Figura 6-1. La celda de FEC produce la generación de Hidrogeno con ayuda de

electrodos fotosensibles, los cuales permiten dividir el agua con la radiación solar y con

ayuda de un potencial auxiliar. Es aquí donde puede utilizarse la energía proveniente de

las dos fuentes no convencionales de energía para brindar el potencial auxiliar necesario

para el funcionamiento de la celda FEC y la generación de Hidrogeno únicamente con



una fuente renovable como es el sol, y dos no convencionales como lo son la corriente

Corona en condiciones de tormenta y la energía del espectro radioeléctrico.

6.1 Producción Fotoelectrocatalítica (FEC) de Hidrógeno

La celda fotoelectrocatalítica (FEC), puede usar la energía proveniente de la luz solar

para producir hidrógeno por rompimiento de la molécula de agua. Los principales

componentes de esta celda FEC son un fotoánodo y un cátodo metálico. En el fotoánodo,

es donde tiene lugar la reacción de oxidación del agua (o de los iones hidroxilo en medio

básico), que permite la evolución de oxígeno, mientras que en el cátodo es donde se

genera el hidrógeno por reducción del agua.

Figura 6- 1: Esquema de la celda Foto-Electro-Catalítica (FEC)

La separación del agua en oxígeno e hidrógeno en una celda FEC es posible por el tipo y

las propiedades de los electrodos usados. En el caso de interés para este proyecto el

fotoánodo está compuesto de arreglos de nanotubos de dióxido de titanio, que

reaccionan a la luz UVA y que por las posiciones de su banda de valencia y condición

puede romper la molécula de agua. El proceso se muestra esquemáticamente en la

Figura 6-1. Cuando la luz de mayor energía que el ancho de banda prohibida del

semiconductor incide en el fotoánodo, electrones de la banda de valencia (BV) son

113

promovidos (b) a la banda de conducción (BC), generando huecos positivos en la BV que

pueden reaccionar con la solución y generar oxígeno (c),

6.2 Pruebas de generación de Hidrogeno

En la Figura 6-2 se muestra el arreglo experimental utilizado, donde se midió la corriente

solicitada por la celda FEC, el potencial entre ánodo y cátodo de la celda FEC, la

radiación UV sobre el ánodo de nanotubos de TiO2, y también se realizó el registro del

campo eléctrico ambiental para tener registro del inicio de un evento de tormenta.

Figura 6- 2: Arreglo experimental para la celda FEC.

En la Figura 6-3 se muestra los resultados obtenidos el día 11 de octubre de 2016, donde

se observa que le potencial entre el ánodo y el cátodo es de aproximadamente 2 V, y la

corriente oscila los 380µA a 400 µA, el campo eléctrico ambiental no supero 1kV/m, así

que no se presentó evento de tormenta. De acuerdo [37] el potencial mínimo necesario

para el inicio de un proceso de hidrolisis es de 1.2 V para una celda electrolítica, la

corriente es directamente proporcional a la generación de Hidrogeno. Lo anterior permite

determinar que la energía que proveen los ETC puede usarse como fuente auxiliar para

el proceso. En las Figuras 6-4 y 6-5, se muestra los resultados para el día 15 de



noviembre de 2016, donde fue posible además medir el índice de radiación UVA, se

aplicó un filtro de media móvil para observar la tendencia de la corriente y del voltaje

entre el ánodo y el cátodo de la celda FEC. La corriente supero los 400µA y la tensión

entre ánodo y cátodo se mantuvo en 2 V, la radiación UVA permaneció en un valor

constante de 180 jxo, que de acuerdo a [37] es un valor para iniciar los procesos de

fotocatálisis en los nanotubos de TiO2. El campo eléctrico ambiental no supero el valor

de 1 kV/m, lo cual muestra que los valores de corriente y voltaje son logrados por la

energía del espectro radioeléctrico (señales de RF).

Figura 6- 3: Resultados de medición en celda FEC.

Es necesario realizar pruebas cuando se presenten condiciones de tormenta, para

observar la influencia de las dos fuentes no convencionales en el proceso de

fotocatálisis. Sin embargo, los resultados obtenidos en las pruebas fueron satisfactorios,

y demuestran que si es posible sustituir el potencial auxiliar que necesita la celda FEC

por las dos fuentes no convencionales de energía.

115

Figura 6- 4: Resultados de medición en celda FEC.

Figura 6- 5: Resultados de medición en la celda FEC. La curva en azul corresponde al

campo eléctrico ambiental, mientras que la curva en color rojo corresponde a la radiación

UV sobre los electrodos de la celda FEC.



6.3 Conclusiones y Futuros trabajos

Se desarrolló un sistema de recolección de dos fuentes no convencionales de energía, la

primera es la corriente corona que se genera en eventos de tormenta, la cual puede

alcanzar las décimas de amperios dependiendo de la intensidad del evento de tormenta,

mientras que la segunda es la energía del espectro radioeléctrico, tal como son las

señales de AM, FM y algunas frecuencias de la televisión terrestre TDT. A continuación,

se presentan las conclusiones del presente trabajo:

• Un ETC posee una doble funcionalidad: La primera función es como antena de

banda ancha, tal como se muestra en los capítulos 2 y 3, donde el ETC puede

captar múltiples frecuencias en la banda de 300kHz a 3GHz, presentando las

bandas de AM. FM y algunas frecuencias de la televisión digital terrestre mayor

receptividad. La segunda función de un ETC es como una fuente de corriente

Corona en condiciones de tormenta, esto sucede cuando se genera un canal

Interelectródico entre la nube de tormenta y el ETC, el cual se encuentra

aterrizado. En los capítulos 1 y 3 se realizan pruebas experimentales donde por

medio de un arreglo punta-placa se inducen corrientes Corona en el orden de los

microamperios.

• El ETC captura las señales de alta frecuencia pertenecientes al espectro

radioeléctrico y la corriente Corona que se genera en condiciones de tormenta.

Estas dos señales sufren el efecto de superposición y dependiendo de la

polaridad de la corriente Corona, ésta induce un nivel DC a las señales de alta

frecuencia, el cual puede alcanzar los cientos de voltios si el evento de tormenta

es muy intenso.

• Las dos fuentes no convencionales de energía pueden ser recolectadas. Sin

embargo, la corriente Corona más representativa, es la que se presenta en

eventos de tormenta, y es la que mayor carga eléctrica aporta. Sin eventos de

tormenta, sólo es recolectada la energía que proporciona el espectro

radioeléctrico.

117

• Los circuitos implementados, además de recolectar la energía de las dos fuentes

no convencionales de energía, pueden funcionar como detectores de eventos de

tormenta. En el capítulo 5 se realizaron pruebas que mostraron resultados

satisfactorios para un sistema de bajo costo.

• La inclusión de una etapa de control en la conmutación de los dos circuitos

recolectores de energía, permitió que el circuito 2 de recolección de energía de

las señales del espectro radioeléctrico no sufriera daño por los incrementos de

voltaje, cuando se presentaban eventos de tormenta.

• El circuito 1 recolecta la energía de la corriente Corona en eventos de tormenta;

mientras que el circuito 2 permanece inactivo. Cuando no se presentan evento de

tormenta, el circuito 2 continúa con la recolección de energía del espectro

radioeléctrico.

6.4 Aportes del presente trabajo de investigación

• Se demostró que el ETC tiene doble funcionalidad, tanto para captar la energía

del campo eléctrico ambiental, como del espectro radioeléctrico, dos fuentes no

convencionales de energía.

• Se logró desarrollar un circuito que efectivamente almacena la energía del campo

eléctrico ambiental y del espectro radioeléctrico.

• Los circuitos desarrollados permiten igualmente detectar la presencia de eventos

de tormenta eléctrica, por el incremento del campo eléctrico ambiental.

• Se ha propuesto un circuito de recolección que selecciona entre dos fuentes de

energía no convencionales.

• Se demostró que el conjunto de 5 ETC funciona como un arreglo de antenas de

banda ancha.

• Un conjunto de ETC puede conformar una granja para el almacenamiento de

energía eléctrica, a partir de fuentes no convencionales.



• Se usó la energía eléctrica producida por una fuente no convencional para la

realización de procesos de fotocatálisis para la generación de hidrogeno.

6.5 Trabajos Futuros

A continuación se mencionan los posibles trabajos futuros:

• Mejora en los circuitos recolectores de energía como es la inclusión de una mejor

etapa de regulación del potencial en la carga. Reintentar el diseño de un circuito

en configuración Willard para multiplicar el potencial en la carga.

• Uso de la energía recolectada en aplicaciones de sensores remotos o etiquetas

RFID.

• Desarrollo de un modelo para el ETC donde se relacionen el campo eléctrico que

se genera en este, cuando suceda un evento de tormenta y cuando esté presente

la energía de RF.

• Desarrollar más pruebas con el sistema de recolección, incluyendo la medida de

las siguientes variables ambientales, como lo son: pluviosidad, humedad relativa y

velocidad del viento.

• Trabajar en el sistema de detección de eventos de tormenta de bajo costo,

desarrollar el mecanismo de alarma y estudios de riesgo.

• Realizar los trabajos finales de instalación del sistema en el mástil de 30 metros

ubicado en el costado occidente del edificio 411. De acuerdo a los resultados

reportados por Ariza en [8] y Bazelyan [29] la corriente Corona además de ser

directamente proporcional al campo eléctrico ambiental y a la velocidad del viento,

también es dependiente de la altura a la que se ubique el ETC, a mayor altura

mayor corriente Corona inducida sobre el ETC.

6.6 Publicaciones y Ponencias

Evento: Symposium on Antennas and Propagation and USNC-URSI Radio Science

Meeting, July 9–14, 2017 - San Diego, CA, USA

Titulo: Antenna Array Assessment for RF Energy Harvesting

Autores: Carlos Rivera, John J. Pantoja, Francisco Román

119

Evento: PROCESA 2017, V Jornada Técnica Internacional de Ingeniería Química e

Ingeniería Biológica del 13 al 17 de marzo.

Titulo: Advances in hydrogen production using a PEC cell coupled with a non-

conventional

electrical energy source: A Corona current source activated by electromagnetic fields

Autores: Carlos A. Rivera-Guerrero, Luis F. Salas-Guerrero, Pedro J. Arias-Monje,

Francisco J. Román-Campos a, Hugo R. Zea-Martínez

A. Anexo: Implementación de circuito Willard

Circuito multiplicador Willard

Se realizó la implementación de un circuito multiplicador Willard [22], el objetivo es utilizar

las señales del espectro radioeléctrico que son señales alternas (RMS) para multiplicar y

obtener un potencial DC, a continuación se muestran los resultados de la simulación en

CST Design-Studio.

Figura A-1: Simulacion en CST Design-Studio

Los resultados muestran que ante una señal de 80MHz las seis etapas elevan el

potencial de entrada de 1.5V a 3.4V, este valor está por debajo del esperado a 9V. Sin

embargo, se implementaron dos prototipos con seis etapas multiplicadoras.



Figura A-2: Implementación de los circuitos.

Se realizó la prueba utilizando el arreglo experimental del capítulo 2 (Figura 2-1) y los

resultados no fueron satisfactorios, ya que no se logró incrementar el potencial DC a la

salida de los circuitos.

Figura A-3: Resultados de circuito Willard.

Bibliografía 123

B. Anexo: Determinación de la Energía suministrada por cada una de las dos fuentes no convencionales de energía

Se analizaron cuatro procesos de medición para el periodo del 14 al 25 de octubre del

2016, en los cuales se registraron las siguientes tres variables: - Campo eléctrico

ambiental (curva en azul); - Voltaje de carga de la batería LiPo (curva en rojo); y - La

corriente de carga de la batería LiPo (curva en negro).

Se asume que los indicadores para la presencia de la corriente Corona son: 1) un

incremento de 1kV/m en el campo eléctrico ambiental o 2) cambio de la polaridad del

campo eléctrico ambiental.

Durante el proceso de mediciones realizado el día 14 de octubre de 2016 (Figura B-1), se

registró la carga en la batería LiPo por un periodo de 4.73 horas. Durante las primeras

2.36 horas se presentó un evento de tormenta con duración de aproximadamente de 1

hora, periodo en el cual el campo eléctrico ambiental supero el valor de 1kV/m en ambas

polaridades. Este periodo lo llamaremos aquí “primer periodo de carga”. Durante las

restantes 2.36 horas, el campo eléctrico ambiental tuvo un valor promedio de 0.232kV/m.

Este periodo lo llamaremos aquí “segundo periodo de carga”.

Figura B-1: Procesos de carga uno y dos, ocurridos durante el día 14 de octubre de 2016,

la línea verde punteada divide los intervalos donde se presentan eventos de tormenta y

señales de RF superpuestas (lado izquierdo: primer periodo de carga) y donde solo se

presentan la energía del espectro radioeléctrico sin eventos de tormenta (lado derecho:

Segundo periodo de carga).



En la Figura B-1 se muestra que, durante el primer periodo de carga, a partir de la hora 1

hasta la hora 1.5 para las primeras 2.36 horas, el campo eléctrico ambiental cambia de

polaridad positiva a negativa. Durante este lapso de tiempo, la curva de corriente

presenta un incremento en su valor nominal de 190µA a 450µA. Para las restantes 2.36

horas del primer proceso de carga, se consideró que la energía presente es la de las

señales de RF. Se realizó el cálculo de la energía para cada uno de los intervalos del

proceso de medición utilizando la expresión (B-1) de [38]. En la Tabla B-1 se muestra

que la energía calculada para el intervalo del evento de tormenta es mayor a la que se

presenta cuando solamente existe la presencia de señales de RF (∆=EC-ERF).

= |`b>b|Gb[F] − 1D6a

D6

Bibliografía 125

Tabla B-1: Energía para el proceso de medición para el día 14 de octubre de 2016

mostrada en la Figura 1.

Señales Presentes

Periodo de Evento de Tormenta [Horas]

Periodo de

Señales de RF [Horas]

Energía Almacenada en evento de tormenta [J]

Energía Almacenada

de señales de RF [J]

Energía Total [J]

Incremento de energía ∆=EC-ERF

Corona y RF

2.36 2.36 4.93 4.83 9.76 0.1

En la Figura B-2 a) se presenta el tercer periodo de carga, mientras que el cuarto periodo

de carga se muestra en la Figura B-2 b). Estos dos periodos de carga se presentaron

entre los días 20 al 21 de octubre de 2016. Durante estos dos procesos de carga no se

presentaron eventos de tormenta. El campo eléctrico ambiental tuvo valores promedios

entre 0.36kV/m y 0.28kV/m en polaridad positiva. Por lo anterior, se considera que la

energía recolectada se debe solamente a la presencia de las señales de RF. La Tabla B-

2 muestra la energía recolectada.

Figura B-2: Proceso de carga para el periodo del 20 al 21 de octubre de 2016

a) b)



Tabla B-2: Energía para el periodo del 20 al 21 de octubre de 2016

Señales Presentes

Figura


Periodo de



Energía Almacenada


Energía Total [J]


RF 2 a) 0 10.47 0 25.75 25.75 0

RF 2 b) 0 13.75 0 33.03 33.03 0

Finalmente, en la Figura B-3 se presenta, los periodos de carga cinco, seis y siete, con

una duración de 24.04 horas. Durante el periodo total de carga de la Figura B-3 se

presentaron 3 eventos de tormenta. Para su análisis se tomaron intervalos de 8.08 horas,

donde se toma cada uno de los eventos de tormenta y también señales de RF, tal como

se observa en la Figura B-3 (véase las líneas punteadas en verde). Posteriormente, cada

uno de los intervalos seleccionados se subdividió en dos sub-intervalos, cada uno de

4.04 horas de duración, las primeras 4.04 se tiene el evento de tormenta en

superposición con las señales de RF, y las restantes 4.04 la presencia de sólo señales

de RF. Se identificaron cada uno de los sub-intervalos con los subíndices del número de

la Figura y a para evento de tormenta y b para señales de RF.

Figura B-3: Periodos de carga cinco, seis y siete durante los días 24 al 25 de octubre de

2016. Los tres periodos de carga están diferenciados por la línea verde punteada, que

corresponde a periodos de 8.08 horas.

Bibliografía 127

Periodo 5 Periodo 6 Periodo 7

En la Figura B-4 se muestra el periodo de carga cinco, el cual se subdividido en los sub-

intervalos 4a y 4b, en el lado izquierdo, el sub-intervalo 4a muestra el primer evento de

tormenta, donde el campo eléctrico ambiental alcanzó valores de 1.15kV/m para las dos

polaridades. Durante este periodo de tiempo la señal de corriente de carga en la batería

se incrementó de 190µA a 420µA.

En el lado derecho de la Figura B-4 se muestra el sub-intervalo 4b, donde la corriente

promedio de carga fue de cerca de 178µA, mientras que el valor promedio del campo

eléctrico ambiental fue siempre positivo y alcanzó un valor máximo de 1kV/m. En la Tabla

B-3 se muestra que la energía calculada para el primer evento de tormenta, es mayor a

la que se tendría con solo las fuentes de señales de RF.

Figura B-4: Primer evento de tormenta para el periodo del 24 al 25 de octubre de 2016.



4a 4b

En la Figura B-5 se muestra el periodo de carga seis, el cual se subdividido en los sub-

intervalos 5a y 5b, en el lado izquierdo, el sub-intervalo 5a muestra el segundo evento de

tormenta, donde el campo eléctrico ambiental tuvo valores de 1.89kV/m para la polaridad

negativa y 1.2kV/m en polaridad positiva, se puede apreciar que, para la señal de

corriente de carga en la batería, se presenta un incremento de 190µA a 570µA. En el

lado derecho de la Figura B-5 se muestra el sub-intervalo 5b, donde el campo eléctrico

ambiental alcanzo un valor de 0.82kV/m en polaridad negativa, con la presencia de un

leve incremento en el valor de la corriente promedio de carga de 154µA a 200µA. Sin

embargo, se considera que la energía de señales de RF es la predominante. En la Tabla

B-3 se observa que la energía calculada para el segundo evento de tormenta, es mayor

a la que se tendría con solo fuentes de señales de RF.

Figura B-5: Segundo evento de tormenta para el periodo del 24 al 25 de octubre de 2016.

Bibliografía 129

5a 5b

En la Figura B-6 se muestra el periodo de carga siete, el cual se subdividido en los sub-

intervalos 6a y 6b, en el lado izquierdo, el sub-intervalo 6a muestra el tercer evento de

tormenta, donde el campo eléctrico ambiental tuvo valores de 1.4kV/m para la polaridad

positiva y 0.42kV/m para polaridad negativa, para este intervalo no se presentaron

incrementos en la señal de corriente, y su valor promedio fue de 82µA. En el lado

derecho de la Figura B-6 se muestra el segundo sub-intervalo 6b, donde el campo

eléctrico ambiental tuvo un valor promedio de 0.17kV/m en polaridad negativa, se

presentó un incremento en el valor de la corriente promedio de carga de 82µA a 145µA.

En la Tabla B-3 se observa que la energía calculada para el tercer evento de tormenta,

es mayor a la que se tendría con solo la fuentes de señales de RF.

Figura B-6: Tercer evento de tormenta para el periodo del 24 al 25 de octubre de 2016.



6a 6b

Tabla B-3: Energía para el proceso de medición para el periodo del 24 al 25 de octubre

de 2016.

Señales Presentes

Figura


Periodo de



Energía Almacenada


Energía Total [J]


Corona (4-a) y RF(4-b)

4 4.04 4.04 10.53 6.99 17.52 3.54


5 4.04 4.04 8.29 7.2 15.49 1.09


6 4.04 4.04 5.05 4.39 9.44 0.86

Los resultados muestran que la corriente Corona de polaridad negativa, generada por

campos eléctricos ambientales de polaridad negativa, se adiciona con las señales de RF,

aportando en los procesos de carga de la batería LiPo. Posteriormente al finalizar el

Bibliografía 131

evento de tormenta, sólo se presenta la contribución de energía por las señales de RF.

Los cálculos de energía muestran que las dos fuentes energía, para nuestro caso la

corriente Corona, aporta en los procesos de recolección de energía para la batería LiPo.



Bibliografía [1] Roman, F.: "Effects of Electric Field Impulses Produced By electrically Floating Electrodes on

the Corona Space Charge Generation and on the Breakdown Voltage of Complex Gaps",

Doctoral Thesis, Comprehensive Summaries of Uppsala Dissertations from the Faculty of

Science and Technology 246, Acta Universitatis Upsaliensis, Uppsala, Sweden 1996.

[2] “Method and Apparatus Using a Floating Electrode to Extract Energy From an Electric Field”

U.S. Patent Number 5,923,130 (Jul. 13, 1999).

[3] “Repetitive and Constant Energy Impulse Current Generator” U.S. Patent Number 5,892,363

(Apr. 6, 1999).

[4] “Electrostatic Field Measuring Device Based on Properties of Floating Electrodes for Detecting

Whether Lighting is Imminent”,

[5] Patente Colombiana 28417 “Fuente de extra alta impedancia”

[6] E. Nasser, “Fundamentals of plasma gaseous ionization and plasma electronics”, Wilwey,

Interscience 1971.

[7] Y. Raizer, “Gas discharge physics”, Springer-Verlag, 1987

[8] L. Loeb, “Basic Proces of Gaseous Electronics”, University of California Press, 1961.

[9] L. Loeb, “Electrical Coronas Their Basic Physical Mechanisms”, University of California Press,

1965.

[10] L. Arevalo, “Comportamiento de la Carga Espacial del Corona en un Arreglo de Cilindros

Coaxiales”, Thesis Universidad Nacional de Colombia, 2005.

[11] L. Arevalo, M. Becerra, F. Roman “Numerical Simulation of the Positive Corona Current

Behavior”, 14th Internation Symposium on High Voltage Engineering, Beijin, China, 2005.

[12] C. Johnk, “Engineering electromagnetic field and waves” Limusa S.A. De C.V., June 2004.

[13] Ariza, D, F, Tesis de Maestria: “SYSTEM FOR POWER GENERATION AND STORAGE OF

ATMOSPHERIC ELECTRICITY”, Bogotá-Colombia, 2012

[14] Fluke Corporation, "Model 187 & 189 True RMS Multimeter",USA, 2000

[15] F.W. Peek, Jr., “Dielectric Phenomena in High –Voltage Engineering”, New York, McGraw-Hill,

3rd Edition, 1929.

[16] J. J. Lowke, and F. D'Alessandro, "Onset corona fields and electrical breakdown criteria," J.

Phys. D, vol. 36, 2673-2683, 2003.

[17] Hemming, L, H. "Electromagnetic Anechoic Chambers: A Fundamental Design and

Specification Guide", Boston, MA: July 2002, Wiley-IEEE Press

Bibliografía 133

[18] Balanis, C, A, "Modern Antenna Handbook", Boston, MA:September 2008, Wiley

[19] Pozar,D,M, "Microwave Engineering". Boston, MA: 2th Edition, Wiley

[20] Agilent Technologies, "Oscilloscopes DSO6000 X-Series user manual", USA, 2001.

[21] Agilent Technologies, "Agilent Network Analyzer Basics", USA, August 31, 2004.

[22] Agilent Technologies, "Measuring Noise and Noise-like Digital Communications Signals with

Spectrum and Signal Analyzerss", USA, May 4, 2012.

[23] Yang Y, Song H, Chang G, Cho S, Heo J, Jeon G, Lee W, Kim K,"Signals and Systems with

MATLAB", Berlin, 2009 Springer.

[24] Agencia Nacional del Espectro ANE, "CUADRO NACIONAL DE ATRIBUCIÓN DE BANDAS

DE FRECUENCIA ACTUALIZACIÓN JULIO 2016", Colombia, 2016

[25] Grupo de Compatibilidad Electromagnetica. (2015). Sistema para la captura y

almacenamiento de la energia proveniente de las nubes de tormenta, informe final.

[26] D. Ariza, O. Escobar and F. Roman, “Corona current in a cactus-like electrode under natural-

like electric field: Comparison with a single needle electrode”, 30th International Conference on

Lightning Protection - ICLP 2010, Cagliari, Italy - September 13th -17th, 2010.

[27] Nintanavongsa. P, "A survey on RF energy harvesting: circuits and protocols", 11th Eco-

Energy and Materials Science and Engineering (11th EMSES), Energy Procedia 56 ( 2014 )

414 – 422, ELSEVIER

[28] Pozar,D,M, "Microwave and RF Wireless Systems". Boston, MA: November 2000, Wiley, USA,

[29] K. K. A. Devi1, Norashidah D, C .K. Chakrabarty, Sadasivam1 S, "Design of an RF - DC

Conversion Circuit for Energy Harvesting", 2012 IEEE International Conference on Electronics

Design, Systems and Applications (ICEDSA), 2012.

[30] Robbins, T.; Hawkins, J. "Battery model for Overcurrent Protection Simulation of DC

Distribution SystemS", INTEL E C . Sixteenth International Telecommunications Energy

Conference, p307- 14.

[31] Li Chi-hsi R. "RF Circuit Design", MA: October 2012, Wiley.

[32] GEORGE D. VENDELIN, ENGEE, "Microwave Circuit Design Using Linear and Nonlinear

Techniques",MA: July 2005, Wiley.

[33] L. Forero, J. Chavarro, R. Valenzuela, F. Román, “Corona Points Discharge Current

Measurement on Atmospheric Electric Field”, Department of Electrical and Electronic

Engineering, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá D.C., 2005.



[34] E.M Bazelyan, YU. P. Raizer, N. L. Aleksandrov and F. D’Alessandro, “Corona procees and

lightning attachment: The effect of wind during thunderstorms,” Atmosfpheric Research 94,

2009, pg 436 – 447.

[35] D. Ariza, O. Montero, F. Roman, “Corona Space Charge Flux Effects on Background Electric

Field Measurements in a Point-to-Plane Arrangement”, 2011 7th Asia-Pacific International

Conference on Lightning, Chengdu, China, pp. 746 – 749, November 1-4, 2011.

[36] G. A. Nazri and G. Pistola, Science and Technology of Lithium Batteries, Kluwer Academic

Publishers, Boston (2002).

[37] Arias P, Tesis de maestria: "Produccion de Hidrogeno por medio de una celda Fotocatalitica

(FEC)", Bogotá-Colombia, Universidad Nacional 2012.

[38] T. Horiba, “Lithium-Ion Battery Systems”, Proceedings of the IEEE, vol. 102,pp. 939-950, May 2014.

Sistema de recolección de energía (Energy Harvesting), que ...

Documents

Transcript of Sistema de recolección de energía (Energy Harvesting), que ...