ES2400637B2 - Boya de comunicaciones alimentada por energía solar. - Google Patents

Abstract

Boya de comunicaciones alimentada por energía solar que comprende: un panel fotovoltaico (1), uno o más ?supercondensadores? (2), un circuito de carga (3), un convertidor de potencia (4), un terminal de satélite (5), un grupo de sensores (6) y un sistema de control (7), obteniendo la energía para su funcionamiento de la radiación solar, a través de su panel fotovoltaico (1), que almacena mediante mecanismos electrostáticos en supercondensadores (2).

Description

BOYA SOLAR.

DE COMUNICACIONES ALIMENTADA POR ENERGIA

5

1. Campo de la invención.

La invención se encuadra en el sector técnico de la electrónica y comunicaciones para aplicaciones marítimas.

1o

Esta boya está marítimo tales como: oceanográficos, etc. orientada para ser utilizada en áreas del sector pesca, vigilancia del mar, estudios científicos y

2. Antecedentes de la invención.

15 20

Las boyas de comunicaciones se han utilizado para la obtención de datos en los océanos desde mediados de los años 30. Durante la segunda guerra mundial estos dispositivos experimentaron un importante avance, en ese momento aparecen las primeras sonoboyas. En los años setenta y principios de los ochenta del siglo XX, las boyas de comunicaciones comenzaron a ser utilizadas por sectores civiles, como por ejemplo el pesquero, gracias a la simplificación, miniaturización y reducción de coste que experimentaron los circuitos electrónicos que las integraban.

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La tecnología de comunicaciones empleada en las boyas ha experimentado un notable avance a lo largo de su historia. En sus inicios existían importantes inconvenientes para su localización, que solo era posible mediante el uso de imprecisos radiogoniómetros. A mediados de la década de los noventa aparecieron los primeros "chipsets" para la recepción de señales GPS económicos y de tamaño reducido. Estos "chipsets" fueron rápidamente incorporados a las boyas de comunicaciones, lo que simplificó enormemente las tareas para su localización.

Otros avances técnicos notables acaecidos durante las últimas

décadas del pasado siglo de los que se beneficiaron estos sistemas, fue la

aparición de servicios de comunicaciones por satélite de datos a baja

velocidad, ocurrida tras el lanzamiento de servicios como los "C" y "D" de

5

lnmarsat. Estos servicios de comunicaciones por satélite permitieron

aumentar la cobertura de las comunicaciones de la boya a nivel mundial, así

como mejorar drásticamente su fiabilidad.

El desarrollo de las técnicas de procesado digital de la señal, la

aparición de procesadores digitales de reducido tamaño y coste, así como el

1o

perfeccionamiento y mejora de los sensores de estado sólido, también

ampliaron de forma muy notable el rango de aplicación de las boyas, que en

el momento actual se han convertido en un instrumento prácticamente

imprescindible, para la medida y adquisición de datos en tiempo real en los

océanos.

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Al tratarse de sistemas aislados, localizados en emplazamientos

remotos, la alimentación de los circuitos electrónicos que incorporan las

boyas ha sido un importante reto técnico. Por un lado es preciso que su

consumo eléctrico sea lo más bajo posible. Por otra parte, es necesario dotar

a estos instrumentos bien de baterías no recargables que puedan

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alimentarlos durante un tiempo razonable, bien de sistemas que permitan la

generación autónoma de la energía requerida para su funcionamiento.

Resulta obvio que las baterías no recargables instaladas en boyas

precisan una sustitución periódica conforme se descargan. Estas

operaciones de mantenimiento son incomodas, caras y reducen su

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fiabilidad, motivo por el cual los sistemas de alimentación autónomos están

alcanzando una gran popularidad.

El sistema de alimentación autónomo para boyas más habitual en el

momento de la redacción de este documento es el basado en la obtención

de energía eléctrica mediante paneles fotovoltaicos. Dado que la captación

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de energía está limitada a las horas con suficiente irradiación solar, es

preciso que las boyas dispongan también de elementos para su

almacenamiento para que pueda ser utilizada durante las horas en la que no es posible obtenerla.

5 1o

El componente más utilizado para el almacenamiento de la energía producida por procedimientos fotovoltaicos es la batería de plomo-acido, debido a su bajo coste relativo. No obstante, dado que este sistema de almacenamiento de energía está basado en la utilización de reacciones químicas reversibles, está sujeto a varios inconvenientes dentro de los que cabe destacar especialmente para el caso que nos ocupa, la eventual generación de hidrógeno en la batería durante el proceso de carga. Este gas debe ser evacuado de forma eficaz para reducir el riesgo de acumulación y explosión.

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Si bien la generación de hidrógeno puede minimizarse mediante un cuidadoso control del proceso de carga y el uso de sistemas químicos de recombinación, el hecho de que, generalmente, las boyas son recipientes herméticos que no disponen de sistemas de ventilación, desaconseja enérgicamente el empleo de baterías para la acumulación de energía eléctrica, especialmente las de plomo ácido, por el eventual riesgo de explosión.

20

Sería deseable, por tanto, la utilización de otros dispositivos más seguros para el almacenamiento de la energía generada en los paneles fotovoltaicos de las boyas.

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El almacenamiento de energía eléctrica por procedimientos electrostáticos no presenta los problemas asociados al sistema de almacenamiento mediante reacciones químicas reversibles, típico de las baterías.

Además, la energía generada por los paneles fotovoltaicos instalados en una boya, experimenta continuas y rápidas variaciones debido al movimiento al que está sometida en la superficie del agua. Es necesario por tanto, un componente que sea capaz de almacenarla de forma muy rápida.

5

Los recientes avances en componentes electrónicos permiten plantearse la posibilidad de almacenar por procedimientos electrostáticos la energía requerida por una boya de comunicaciones, generada en paneles fotovoltaicos. No obstante, un producto basado en este tipo de sistemas de acumulación de energía que presente características técnicas adecuadas para su explotación comercial precisa resolver importantes problemas técnicos.

3. Descripción de la invención.

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La presente invención consiste en una nueva boya de comunicaciones que obtiene la energía eléctrica para su alimentación mediante un subsistema de potencia (SP) que hace uso de paneles fotovoltaicos para su captación, condensadores de doble capa (también conocidos como "supercondensadores" o "ultracondensadores") para su almacenamiento por procedimientos electrostáticos y un convertidor de energía que permite la obtención de una tensión estable, apropiada para la alimentación de los circuitos de la boya, a partir de la carga eléctrica variable almacenada en los supercondensadores, con alto rendimiento energético, en el amplio margen de condiciones de carga producido por el resto de los circuitos de la boya.

3.1. Breve descripción de los dibujos y figuras.

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Seguidamente se describen, muy brevemente, las figuras que acompañan a este texto y que se relacionan expresamente con una realización de la invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de esta.

La Figura 1 muestra un diagrama de bloques de la invención descrita en este documento.

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La Figura 2 muestra un diagrama de bloques preferida de la invención descrita en este documento. de la realización

3.2. Descripción detallada de la invención.

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La boya de comunicaciones objeto de este documento está compuesta por siete bloques, tal y como se muestra en la Figura 1. Parte de estos bloques se agrupan en el subsistema de potencia de la boya (SP). Los bloques mostrados en la Figura 1 realizan las siguientes funciones:

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Panel fotovoltaico (1): Compuesto por un número de células fotovoltaicas conectadas en serie para proporcionar una tensión suficiente que permita el correcto funcionamiento del circuito de carga (3) de los "supercondensadores" (2). Habitualmente, esta tensión debe ser ligeramente superior a la tensión máxima soportada por los supercondensadores.

En cuanto a la superficie y rendimiento del panel fotovoltaico es tal, que en condiciones de baja irradiación solar, como la que se obtiene en días nublados, permitan la carga completa de los "supercondensadores" (2) en un solo día, partiendo de una condición de descarga.

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Este bloque forma parte del subsistema de potencia de la boya (SP).

Supercondensadores (2): Conjunto de condensadores de alta capacidad, basados en tecnologías de doble capa y también conocidos con el nombre de "supercondensadores" o "ultracondensadores".

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Son utilizados para el almacenamiento de la energía eléctrica proporcionada por el panel fotovoltaico (1) mediante procedimientos electrostáticos, sin hacer uso, por tanto, de reacciones químicas reversibles. La asociación de supercondensadores puede realizarse de forma paralelo o serie, si bien la asociación en paralelo evita la utilización de los circuitos de reparto y distribución de carga requeridos en la asociación en serie (a cambio de especificaciones más duras para el convertidor de potencia (4)).

Este bloque también forma parte del subsistema de potencia de la boya (SP).

Circuito de carga (3): Este circuito gestiona la supercondensadores realizando las siguientes funciones.

carga de los

A. Busca el punto de trabajo óptimo (de máxima potencia) del panel fotovoltaico para máximo aprovechamiento de la energía producida por el panel.

5

B. Evita la descarga de los supercondensadores a través del panel en ausencia de radiación solar.

1o

C. Evita la sobrecarga de los supercondensadores: Si la tensión en los supercondensadores excede un nivel máximo detiene el proceso de carga para evitar daños. El proceso de carga se pone otra vez en marcha cuando la tensión sobre el supercondensador cae a un cierto valor. Se trata, por tanto, de un proceso con histéresis.

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D. Evita la descarga completa de los supercondensadores: Cuando la tensión en los supercondensadores desciende por debajo de un valor mínimo se desconecta el convertidor de potencia (4) para prevenir que, tras una descarga completa de los supercondensadores, el convertidor de potencia (4) funcione de forma incorrecta o no pueda funcionar. La conexión del convertidor de energía (4) se restablece cuando la tensión en los supercondensadores excede un nivel que permite el correcto funcionamiento del convertidor de energía (4). Se trata, por tanto, de un proceso con histéresis.

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Este bloque también forma parte del subsistema de potencia de la boya (SP).

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Convertidor de potencia (4): Es un circuito de electrónica de potencia que está compuesto por un cierto número de etapas en cascada (una como mínimo) y se utiliza para convertir la tensión de la energía almacenada en los supercondensadores hasta el valor requerido por los circuitos electrónicos de la boya. Entre los principales requisitos de este subsistema, que determinan su número de etapas y topología, se encuentran los siguientes:

A. Conseguir el máximo rendimiento energético posible en condiciones

30 de carga diversas: desde cargas muy bajas, como las presentadas

cuando los circuitos de la boya están en modo "dormido" (sleep-mode) hasta cargas elevadas, como las producidas en los instantes en los que el terminal de satélite (5) transmite, o determinados sensores (6) (como por ejemplo el SONAR) realizan sus medidas.

5 1o

B. Ser capaz de trabajar en un amplio rango de tensiones de entrada y especialmente con tensiones de entrada muy bajas. A diferencia de lo que ocurre en las baterías, la tensión en bornes de un supercondensador, experimenta un amplio rango de variación en función de su nivel de carga. Es preciso que el convertidor sea capaz de tolerar dichas variaciones de tensión de entrada y a la vez trabajar con niveles de tensión muy bajos, que permitan aprovechar, en la mayor medida posible, la capacidad de almacenamiento energética de los supercondensadores (2).

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C. Generar la menor cantidad de ruido eléctrico posible, tanto conducido como radiado, para evitar interferir en el funcionamiento del resto de los circuitos y sensores de la boya.

Este bloque también forma parte del subsistema de potencia de la boya (SP).

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Subsistema de potencia de la boya (SP): Los bloques (1 ), (2), (3) y (4) conforman el subsistema de potencia de la boya. Este subsistema y la estrategia de gestión de potencia, distinguen esta boya de comunicaciones de las actualmente existentes.

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La estrategia de gestión de potencia de la boya (EP), que se describe a continuación, gobierna el proceso de captación, almacenamiento y consumo de energía en la boya.

Condicionantes: Los supercondensadores, como los utilizados en la boya para el almacenamiento de la energía eléctrica obtenida por su panel fotovoltaico, presentan una densidad de energía por volumen inferior a la ofrecida por las baterías, por lo que es necesario un volumen superior al

requerido por una batería para el almacenamiento de la misma cantidad de energía.

5

Además, el coste de los supercondensadores (en el momento de la redacción de este documento) es superior, que el de las baterías, para cantidades de energía almacenadas equivalentes.

1o

Por estos motivos, la boya de comunicaciones descrita en este documento, puede almacenar menos energía eléctrica que las que si utilizase baterías del mismo tamaño que los supercondensadores empleados (este hecho también redunda, de forma indirecta, en una mejora en la seguridad general de la boya).

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Sin embargo, los supercondensadores son capaces de cargar energía en un periodo de tiempo muchísimo menor que el requerido por las baterías (lo que les permite adaptarse muy bien al flujo generado por un panel fotovoltaico instalado en una boya en movimiento), además admiten un número de cargas y descargas muy superior al que soportan las baterías.

La estrategia de gestión potencia (EP) de la boya viene determinada por los condicionantes descritos y es, en concreto, la siguiente:

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La boya almacena la energía necesaria para su funcionamiento, sin recarga, para un periodo de tiempo relativamente corto (24 o 48 horas). Esta estrategia de gestión de potencia hace posible utilizar supercondensadores de capacidad moderada. La recarga de la energía se realiza de forma muy rápida (durante un periodo de tiempo inferior a una jornada). Para ello es necesario un panel solar de potencia suficiente para garantizar la carga rápida de los supercondensadores aun en jornadas con baja irradiación solar.

Terminal de satélite (5): La boya utiliza un terminal de satélite para transmitir los datos recogidos por sus sensores. Este terminal es alimentado por el subsistema de potencia de la boya (SP).

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Sensores (6): La boya contiene un conjunto de sensores para la recopilación de datos como: temperatura, SONAR, posición (GPS, Galileo),

acelerómetros, etc. Estos potencia de la boya (SP).

sensores son alimentados por el subsistema de

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Sistema de control (7): La boya contiene un sistema digital de control que gestiona la recogida de datos de los sensores, operaciones del terminal de satélite, etc. Este sistema de control es alimentado por el subsistema de potencia de la boya (SP).

4. Realización preferida de la invención.

La Figura 2 muestra una realización preferida de la invención.

1o

Seguidamente se describe como se implementan en la realización preferida de la invención cada uno de los bloques descritos en la "Descripción detallada de la invención" de acuerdo a los bloques mostrados en la Figura 2.

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Panel fotovoltaico (1 ): Está formado por 6 células fotovoltaicas conectadas en serie. La tensión en circuito abierto es de aproximadamente 3.3V y la potencia eléctrica de pico es 1OW para una irradiación solar de 1000 W/m2 .

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Supercondensadores (2): Se utiliza un único condensador de 3000F o dos condensadores en paralelo de 3000F (6000F en total), en función de los requisitos energéticos de los circuitos y sensores de la boya. La tensión máxima soportada por los supercondensadores es de 2.7 V.

Circuito de carga (3): El circuito de carga en su implementación más elemental, es un diodo de barrera Schottky capaz de soportar de forma continuada, sin dañarse, la corriente proporcionada por el panel en condiciones de cortocircuito.

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El diodo mencionado en el párrafo anterior también impide la descarga de los supercondensadores (2) a través del panel solar durante el tiempo en el que no recibe radiación solar.

El circuito de protección supercondensadores consiste en

frente a la un comparador sobrecarga de con histéresis los que

supervisa la tensión en bornes de los supercondensadores (2). Este

comparador excita un MOSFET que cortocircuita los bornes del panel

fotovoltaico (1) cuando la tensión en los supercondensadores llega a su

valor máximo (2.7 V en la realización preferida de la invención). El MOSFET

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es cortado (abierto) cuando la tensión en bornes del supercondesador baja

100 m V por debajo de la tensión máxima (2.6 V en la realización preferida de

la invención). La histéresis del proceso evita la oscilación del sistema de

protección.

El circuito de protección frente a la descarga de los

1o

supercondensadores consiste en un comparador con histéresis que

supervisa la tensión en bornes de los supercondensadores (2). Este

comparador desactiva el convertidor de potencia (4) cuando la tensión en

bornes de los supercondensadores (2) cae por debajo de un valor que haría

imposible el correcto funcionamiento del mencionado convertidor de potencia

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(4) en cualquier condición de carga. Esta tensión depende de la demanda

energética de pico de los circuitos que incorpora la boya y de la capacidad

del convertidor. En la realización preferida de la invención esta tensión es de

1.2V.

El comparador vuelve a activar el convertidor de energía (4) cuando,

20

tras un periodo de carga (debido a la captación de energía por los paneles

solares) la tensión en bornes de los supercondensadores (2) alcanza un

nivel que permite el correcto funcionamiento de los convertidores ante

cualquier condición de carga. Esta tensión en la realización preferida de la

invención es de 2 V.

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Convertidor de potencia (4): El convertidor de potencia debe elevar la

tensión en los supercondesadores hasta el valor requerido para el correcto

funcionamiento de los circuitos de la boya en condiciones de carga muy

distintas (la carga del convertidor oscila entre 1 mW y 12W) Su rendimiento

energético ha de ser lo más elevado posible y su ruido bajo para cualquier

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condición de carga.

La tensión en los supercondensadores, y por lo tanto del entrada al convertidor de potencia, puede oscilar desde 2. 7 V en condiciones de máxima carga a 1.2 V para carga mínima. Las tensiones a la salida del convertidor son fijas y sus valores son 5V, 12V y 24 V.

5 1o

El convertidor está constituido por un conjunto de etapas elevadoras de tensión en cascada. La primera etapa eleva la tensión de los supercondensadores (comprendida entre 1.2 V y 2.7 V) hasta 5V, la segunda etapa de 5V a 12 V y la tercera de 12 V a 24 V. La tensión a la salida de cada una de las etapas mencionadas permite alimentar diferentes circuitos de la boya que requieren estas tensiones, por ejemplo: sistema de control (7) 5V, terminal de satélite (5) 12V, sensores (6) 24V, etc.

Para reducir tanto la corriente de pico que deben manejar los componentes del convertidor de potencia como el ruido generado por el mismo se utiliza la tecnología "multifase", al menos en su primera etapa.

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Para conseguir que el rendimiento energético del convertidor de potencia sea elevado en cualquier margen de carga, el convertidor combina el funcionamiento en ráfaga para cargas bajas con el funcionamiento a frecuencia de conmutación fija para cargas elevadas.

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Terminal de satélite (5): El terminal de satélite utilizado en la realización preferida de la invención es un terminal para el servicio "D+" e "lsatM2M" de lnmarsat que permite la transmisión de datos a baja velocidad a través de la red de satélites de la compañía lnmarsat con cobertura mundial.

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Sensores (6): Los sensores incluidos en la realización preferida de la invención incluyen un receptor GPS (que forma parte del terminal de satélite (5)) para obtener la posición de la boya, un sensor de temperatura que mide la temperatura del agua y una ecosonda (SONAR) para medir la biomasa bajo la superficie del agua. La boya puede incluir otros sensores en función de su aplicación final, como por ejemplo acelerómetros, sondas de oxígeno, sensor de opacidad, etc.

Sistema de control (7): El sistema de control es un sistema digital que realiza las funciones de control de la boya. En la realización preferida de la invención está formado por un microcontrolador de muy bajo consumo y sus componentes asociados. La estrategia de funcionamiento para minimizar el

5 consumo consiste en que el sistema de control realiza las tareas de gestión de la boya: encendido de sensores, medidas, gestión de transmisión de datos, etc. en el lapso de tiempo más breve posible para inmediatamente pasar a un estado de bajo consumo "sleep-mode" en el que permanece el mayor tiempo posible.

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Claims (4)

1. REIVINDICACIONES

   1.-Boya de comunicaciones alimentada por energia solar que comprende:

   un panel fotovoltaico (1),

   5 uno o más "supercondensadores" (2),

   un circuito de carga (3),

   un convertidor de potencia (4),

   un terminal de satélite (5), un grupo de sensores (6); y

   un sistema de control (7),

   10 en la que el circuito de carga (3), empleado en la carga de los

   supercondensadores (2), en los que se almacena la energia obtenida para el

   funcionamiento de la boya a través de su panel fotovoltaico (1), comprende:

   a) un diodo interpuesto a la salida del panel fotovoltaico (1), que impide la descarga de los supercondensadores (2) cuando el panel no recibe

   15 radiación solar;

   b) un comparador con histéresis que supervisa la tensión en bornes de

   los supercondensadores (2), cortocircuitando el panel solar (1)

   cuando la tensión sobre los supercondensadores lleva al valor de

   tensión máxima soportado por los mismos; y que desconecta el

   20 convertidor de potencia (4) para evitar su completa descarga de los supercondensadores cuando la tensión sobre el mismo llega a un valor bajo que puede dificultar su funcionamiento.
2. 2.-Boya de comunicaciones alimentada por energia solar, según la

   25 reivindicación 1, caracterizada porque utiliza un convertidor de potencia (4) para elevar la tensión en su supercondensador (2) hasta los valores de tensión requeridos por el resto de los circuitos de la boya, realizando estas

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   funciones con alto rendimiento energético en un amplio margen de carga, utilizando varios modos de funcionamiento eléctrico en función de la carga.
3. 3.-Boya de comunicaciones alimentada por energia solar, según la

   5 reivindicación 1, caracterizada porque implementa un sistema de gestión de

   energía consistente en almacenar sólo la energía necesaria para su

   funcionamiento durante un periodo de tiempo corto (24 o 48 horas) y por

   recargar dicha energía en su supercondensador o supercondensadores muy rápidamente (en un periodo inferior a una jornada).
4. 4.-Boya de comunicaciones alimentada por energía solar, según las

   reivindicaciones 1 y 3, caracterizada porque complementa su sistema de

   gestión de energía, realizando las funciones de recogida y transmisión de

   datos en un periodo de tiempo muy corto, para reducir el consumo de

   15 energía, y que permanece la mayor parte del tiempo en un estado de muy

   bajo consumo.