Nuove applicazioni per l’energy harvesting

ENERGY HARVESTING –

La prima ondata di energy harvesting ha dato vita ai sensori wireless a bassa potenza oggi utilizzati ovunque; l’effetto a catena continuerà su tutto il mercato consumer, industriale e medicale con la creazione di nuove applicazioni che al momento possiamo solo immaginare.

Parallelamente alla trasformazione dei cellulari da telefoni wireless analogici in computer portatili, gli utenti hanno continuato a chiedere funzionalità che consumano una quantità crescente di energia, quali navigazione tramite browser, visualizzazione di video, giochi e posta elettronica, richiedendo però anche una lunga durata della batteria. Dato che i produttori di batterie non sono riusciti a fare molto a tale proposito, i costruttori di semiconduttori hanno escogitato numerose tecniche di risparmio energetico per soddisfare queste esigenze. E ci sono riusciti. Da almeno dieci anni la bassa potenza è il criterio più importante nella progettazione elettronica. Grazie alla legge di Moore e all'intelligenza degli ingegneri, i livelli di potenza dei semiconduttori sono scesi notevolmente, toccando consumi nell'ordine dei milliwatt in modalità di funzionamento e dei nanowatt in modalità stand-by. Come conseguenza diretta, alla fine è stato possibile realizzare reti wireless a bassissima potenza e prive di sensori, ora ampiamente adottate. I sensori sono isolati in aree remote o difficili da raggiungere per segnalare le tensioni cui sono sottoposti edifici e ponti, l'inquinamento dell'aria, gli incendi nei boschi, le frane imminenti e le vibrazioni delle ali degli aerei. Le reti di sensori wireless a bassa potenza sono al centro di numerose applicazioni industriali, mediche e commerciali. Tuttavia, i nodi di sensori fuori dalla griglia e portatili si affidano all'alimentazione a batteria e hanno lo stesso problema dei telefoni cellulari. In tali casi è consigliabile prolungare la durata della batteria con l'harvesting delle fonti energetiche dell'ambiente - quelle più frequentemente disponibili, come luce, calore, vibrazione, movimento e radiofrequenze ambientali. Se i requisiti di energia di un dispositivo sono sufficientemente ridotti e la sostituzione della batteria risulterebbe difficile e costosa, è possibile fare a meno della batteria e affidarsi completamente all'harvesting delle fonti energetiche dell'ambiente. La combinazione di Mcu a bassissima potenza e l'energy harvesting hanno dato vita a una gamma di applicazioni non possibili in passato. Il mercato dell'energy harvesting è ampio e in rapida crescita. Secondo gli analisti di IDTechEx, nel 2012 ha raggiunto gli 0,7 miliardi di dollari e si prevede che entro il 2022 supererà i 5 miliardi; entro quella data 250 milioni di sensori saranno alimentati da fonti di energy harvesting. Il solo mercato dell'energy harvesting termoelettrico raggiungerà quota 865 milioni di dollari entro il 2023.

Tecnologie e applicazioni attuali

Sono diverse le tecnologie di energy harvesting comunemente in uso, e altre innovative sono già all'orizzonte. Le fonti di energia più comuni sono luce, calore, vibrazioni e Rf. A parte i pannelli fotovoltaici posizionati sui tetti, nessuna di loro è in grado di generare una quantità significativa di energia, ma una o più di esse può risultare più che sufficiente per alimentare dispositivi a bassa potenza in un ambiente specifico.

• Fotovoltaica - Difficile trovare una casa o un ufficio che non abbia almeno una calcolatrice alimentata a energia solare - una calcolatrice con una batteria a bottone e un piccolo pannello fotovoltaico anteriore. Queste celle in silicio policristalline o a film sottile convertono i fotoni in elettroni con un'efficienza tipica pari a circa il 15-20% per le celle policristalline e al 6-12% per il film sottile. Dato che la potenza disponibile dall'illuminazione interna è in genere pari a soli 10 µW/cm², la loro utilità dipende dalle dimensioni del modulo più la composizione spettrale della luce. Le celle fotovoltaiche di piccole dimensioni sono frequentemente utilizzate nelle applicazioni consumer e industriali, inclusi giocattoli, orologi, calcolatrici, dispositivi di controllo dell'illuminazione stradale, alimentatori portatili e satelliti. Poiché le fonti di luce tendono ad essere intermittenti, le celle fotovoltaiche vengono utilizzate per caricare le batterie e/o i supercondensatori per fornire una fonte di energia stabile.

• Termoelettrica - Gli harvester termoelettrici sfruttano l'effetto Seebeck, in cui viene creata una tensione in presenza di una temperatura differenziale al punto di giunzione di due metalli diversi. I generatori termoelettrici o Teg sono composti da una serie di termocoppie collegate insieme in serie a una fonte di calore comune, come ad esempio un motore, l'acqua calda o addirittura il retro di un pannello solare. L'output dipende dalla dimensione del Teg e dalla temperatura differenziale che può essere mantenuta. I Teg vengono in genere utilizzati per alimentare nodi di sensori wireless negli ambienti ad alta temperatura come quelli dei sistemi di riscaldamento industriale. Un Teg installato tra un transistor e un dissipatore di calore è in grado di riciclare parte dell'energia che altrimenti andrebbe dispersa come calore. I moduli di energy harvesting termico TE-Core7 Micropelt convertono il calore di scarto disponibile localmente per fornire il funzionamento a lungo termine a dispositivi a bassa potenza. Il Teg TE-Core converte il calore in carica elettrica che viene poi spinta e accumulata in un condensatore da 100 µF e regolata per fornire alimentazione fino a 5,5 V. Funzionando a 50°C, il TE-Core7 è in grado di fornire 6,424 mAh all'anno, l'equivalente di tre-quattro batterie AA - a questo ritmo le batterie dovrebbero essere sostituite dopo pochi mesi. Forzando il passaggio della corrente attraverso il punto di giunzione di metalli diversi, il calore viene trasferito dalla giunzione calda a quella fredda - creando il cosiddetto effetto Peltier, sostanzialmente l'opposto dell'effetto Seebeck. L'effetto Peltier è alla base del funzionamento delle pompe di calore termoelettriche.

• Piezoelettrica - I trasduttori piezoelettrici generano elettricità se posti sotto tensione, cosa che li rende candidati ideali per i sensori di rilevamento delle vibrazioni quando utilizzati nei moduli di energy harvesting che rilevano il rumore dei cuscinetti del motore e la vibrazione delle ali degli aerei. L'Energy Harvester a vibrazioni Midé Volture V-20W utilizza un cantilever collegato a un cristallo piezoelettrico. Quando le vibrazioni mettono in movimento il cantilever, questo genera una tensione di uscita AC che viene raddrizzata, regolata e accumulata in un supercondensatore o in una batteria a film sottile.

• Radiofrequenza - La tecnologia Rfid raddrizza un forte segnale locale (non le radiofrequenze ambientali) direttamente indirizzato al sensore. Allo stesso modo, il ricevitore P2110 RF Powerharvester di Powercast converte i segnali RF in bassa frequenza a 5,25 V, fornendo fino a 50 mA di corrente di uscita. In combinazione con un Mcu a bassa potenza, sensori e un modulo radio, l'P2110 può fornire un nodo di sensori completo wireless e senza batteria in grado di funzionare con un ingresso in radiofrequenza di soli -11,5 dBm (Fig. 3). Le applicazioni del dispositivo includono sensori wireless senza batteria per il monitoraggio industriale, l'automazione degli edifici, le smart grid, l'agricoltura e la difesa. Mouser fornisce kit di sviluppo Powercast per i sensori di carica della batteria e wireless.

Tecniche e tecnologie innovative

Alcune tecnologie di energy harvesting molto interessanti e al momento ancora in laboratorio potrebbero trasformare il settore nei prossimi anni.

• Strumenti medicali e per il fitness - Stanno emergendo alcuni nuovi utilizzi per l'energy harvesting piezoelettrico. I ricercatori dell'università del Michigan hanno sviluppato un dispositivo che raccoglie energia dal riverbero del battito cardiaco attraverso il torace e lo converte in elettricità per alimentare un pacemaker o un defibrillatore impiantato, nel tentativo di ovviare alla necessità di sostituire periodicamente la batteria. La ricerca è indirizzata anche verso modalità di sfruttamento di calore, movimenti e vibrazione del corpo umano per alimentare altri dispositivi impiantabili. La radiofrequenza è già stata utilizzata in via sperimentale per ricaricare le batterie di pacemaker e altri dispositivi di stimolazione nervosa elettrica impiantati per via transcutanea. Il paziente siede su una sedia che contiene una fonte Rf a bassa frequenza il cui output viene ricevuto, raddrizzato e accumulato dal dispositivo. I ricercatori del Mit e di Harvard hanno sviluppato un chip che può essere impiantato nell'orecchio interno e la potenza viene fornita raccogliendo l'energia delle onde sonore. Il chip è progettato per monitorare l'attività biologica nelle orecchie di persone con menomazioni dell'udito o problemi di equilibrio. I patiti del fitness saranno felici di sapere che si può recuperare parte dell'energia consumata in palestra. Tre università britanniche hanno collaborato allo sviluppo di un dispositivo di energy harvesting piezoelettrico che si applica al ginocchio e genera potenza mentre si corre o si cammina sul tapis roulant. La Riga Technical University offre un energy harvester che richiede la cucitura di magneti sulle maniche e bobine nelle tasche della giacca; oscillando le braccia oltre le tasche mentre si cammina, si genera una corrente che può essere immagazzinata in una batteria. Tutto, pur di avere l'iPhone sempre carico!

• Generatore piroelettrico Mems - Gli Oak Ridge National Laboratories hanno messo a punto un esclusivo generatore piroelettrico in grado di raffreddare dispositivi elettronici, fotocellule, computer e addirittura sistemi di recupero del calore di grandi dimensioni durante la generazione di elettricità. Il dispositivo si basa su un condensatore piroelettrico Mems posto all'estremità di un cantilever bimetallico che oscilla tra superfici calde e fredde. La punta del cantilever caldo entra in contatto con una superficie fredda, il dissipatore, perdendo rapidamente il proprio calore e determinando lo spostamento all'indietro del cantilever e il contatto con la superficie calda. L'oscillazione continua finché è presente una temperatura differenziale sufficiente - da pochi a centinaia di gradi - tra le due superfici. Le strutture cantilever misurano solo 1 mm² e generano da 1 a 10 mW per dispositivo; tuttavia, è possibile collegarne 1.000 a un substrato di un pollice quadrato, creando una fonte di potenza in uscita relativamente elevata. Dato il veloce ciclo del cantilever, lo sviluppatore prevede un'efficienza tra il 10 e il 30% - molto meglio di quanto offerto dagli attuali dispositivi di energy harvesting termoelettrici e piezoelettrici.

• Nano-antenne - Le celle fotovoltaiche sono la fonte di energy harvesting più ampiamente utilizzata, ma non sono molto efficienti. Le migliori celle fotovoltaiche microcristalline – con un'efficienza teorica massima del 30% - funzionano bene con un'efficienza massima del 20%. Gli scienziati dell'Università del Missouri e dell'Idaho National Laboratory hanno sviluppato un film solare flessibile che teoricamente può raggiungere un'efficienza del 90%. A differenza delle celle fotovoltaiche convenzionali, il film è sostanzialmente costituito da una serie di nano-antenne, ciascuna sintonizzata su una frequenza luminosa specifica. Anziché generare singole coppie elettrone-foro, come nel caso delle celle fotovoltaiche, il campo elettromagnetico in ingresso dal sole induce una corrente nell'antenna che viene poi raccolta nel punto di alimentazione, rettificata e accumulata. I collettori elettromagnetici nano-elettronici o Nec, possono essere configurati come superfici a frequenza selettiva per assorbire l'intero spettro solare. I Nec possono anche essere configurati come filtri passabanda riflettenti a una lunghezza d'onda di 6,5 µm; questo consentirebbe di assorbire i raggi infrarossi, riciclando il calore di scarto da motori, forni e altre fonti di alimentazione ad alta temperatura. Sono stati realizzati ottimi prototipi dei dispositivi Nec, sia per substrati al silicio che in polietilene; tuttavia, lo sviluppo di processi di produzione di massa economici richiederà ulteriori risorse finanziarie e tempo. I ricercatori prevedono di realizzare un prodotto che completi i tradizionali pannelli fotovoltaici catturando l'energia a infrarossi attualmente non utilizzata. Come una pellicola, potrebbe essere incorporato nei materiali da costruzione e nell'infrastruttura. I Nec possono essere integrati in materiali polimerici, quindi possono essere incorporati in dispositivi di largo consumo per la carica continua delle batterie.

Uno sguardo al futuro

Lo sviluppo di Mcu a bassissima potenza ha creato un mercato dell'energy harvesting esteso e in continua espansione, dal quale tali dispositivi dipendono in misura crescente. La prima ondata di energy harvesting ha dato vita ai sensori wireless a bassa potenza che a loro volta vengono utilizzati ovunque. Ma l'effetto a catena continuerà su tutto il mercato consumer, industriale e medicale con la creazione di nuove applicazioni che al momento possiamo solo immaginare. Che si tratti di pianificare dispositivi portatili a batteria o si desideri migliorare l'efficienza energetica di quelli più grandi, tutti i progettisti dovrebbero valutare la possibilità di integrare tecniche di energy harvesting nei loro prodotti. Il sito Energy Harvesting di Mouser Electronics presenta una vasta gamma di dispositivi basati su questa tecnologia.

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