Energia Open Source

Per molte persone, l’energia libera è una parola che non ha un significato chiaro. Essa rappresenta qualcosa di applicativo e scientifico, per altri può essere un mistero. Nel senso più semplice, l’energia libera è tutta quella energia che viene messa a disposizione dal mondo naturale; può includere sorgenti familiari, come quella solare, ma anche tecnologie sorprendenti, come una macchina alimentata da acqua-combustibile, un caricabatterie alimentato da campi magnetici o raggi cosmici, oppure un sistema di riscaldamento domestico alimentato dalla Terra. I migliori sistemi ad energia open source non hanno effetti negativi per l'ambiente, con costi estremamente bassi per la manutenzione e il funzionamento delle apparecchiature. Scritto così tutti vorrebbero la free energy, ma in alcuni casi il problema esclude il campo scientifico. C’è chi è riuscito a diventare autosufficiente producendo l’energia necessaria per alimentare le proprie apparecchiature elettriche. In questo articolo, proveremo a fare un percorso scientifico con esempi di progetti applicativi.  

1.    Introduzione

Nei primi del novecento, un grande scienziato, cercò di porsi la domanda alla quale cerchiamo ancora una risposta. Noi tutti viviamo all’interno di un sistema solare, con un’enorme quantità di energia che viene inviata sulla terra; opportuni sistemi di protezione (vedi l’atmosfera) ci permettono di vivere ed impediscono la distruzione del pianeta sotto il potente gettito di energia proveniente dal sole. Oltre a questo, la terra è un organismo vivente, ovvero un accumulatore e generatore di vari tipi di energie conosciute e sconosciute. La domanda è lecita: è possibile riuscire a “catturare” questa enorme energia e renderla disponibile all’utenza ? Scientificamente parlando la cosa è possibile, un classico esempio è rappresentato dalle celle fotovoltaiche che convertono l’energia solare in un segnale elettrico (effetto fotovoltaico).  L’uomo pensatore che si pose questa domanda fù Nikolas Tesla. Ci sono molti brevetti che testimoniamo le sue scoperte e ne testimoniano l’esistenza. Ma se le sue scoperte sono state brevettate, che fine hanno fatto ? Se c’è tutta questa energia intorno a noi con brevetti che ne dimostrano la possibile applicazione, perchè si scava per la ricerca di petrolio, gas, con la costruzione di macchinari per la loro gestione ?  L’evoluzione della tecnologia elettronica ha permesso, oltre la realizzazione di nuovi dispositivi digitali complessi che tutt’ora utilizziamo, anche la riduzione delle loro dimensioni e del consumo energetico. Questa diminuzione ha dato luogo a nuove soluzioni quali dispositivi indossabili e reti di sensori wireless. Attualmente, la maggior parte di questi dispositivi sono alimentati da batterie. Tuttavia, le batterie presentano diversi svantaggi: la necessità di sostituire o ricaricare periodicamente e la loro grande dimensione e peso rispetto ad un’alta tecnologia elettronica. Una possibilità di superare queste limitazioni di potenza è estrarre energia dall'ambiente per ricaricare una batteria, o anche per alimentare direttamente il dispositivo elettronico.

2.    Panoramica generale

Un dispositivo che raccoglie energia dall’ambiente con tecniche innovative, non fa uso di alcun combustibile. Il concetto che sta dietro questo processo è conosciuto anche come “Energy Harvesting”. L’Energy harvesting raccoglie l’energia che proviene da sorgenti alternative, producendo a sua volta un segnale elettrico. Tipicamente, forniscono una bassa potenza, ma sufficienti per operare con dispositivi indossabili. Varie soluzioni permettono di incrementare la potenza disponibile per alimentare il dispositivo. Le sorgenti energetiche alternative sono, principalmente, suddivisibili in quattro tipi: termica, cinetica, chimica, solare; tutte disperse liberamente nell'ambiente. La conversione avviene in diverse modalità, per esempio sfruttando l’energia spuria delle trasmissioni elettromagnetiche: una tipica applicazione la si trova nei dispositivi RFID. La conversione del moto meccanico permette a cristalli piezoelettrici di generare piccole tensioni. In questo caso l’energia cinetica di un oggetto all’interno di magneti può contribuire alla generazione di energia elettrica. Il moto meccanico può essere originato da diversi movimenti quali vibrazioni meccaniche, camminata, il movimento stesso delle persone, oppure l’utilizzo di microturbine eoliche all’interno di vestiti per sfruttare la circolazione d’aria.  In una visione più industriale, l’energia eolica è la classica conversione dell’energia del vento al fine di produrre corrente elettrica per l’utenza. L’energia solare è la forma di eccellenza che fino ad ora ha avuto abbastanza successo: grazie a celle fotovoltaiche si possono alimentare carichi elettrici di molti edifici commerciali e apparecchiature di segnaletica stradale. I generatori termoelettrici hanno una tensione tipica di 0.1 mV/K, garantendo potenze dell’ordine dei mW. In presenza di più gradienti termici si possono ottenere buone potenze per alimentare vari dispositivi. Possiamo classificare i diversi dispositivi di energy harvesting in due modi: considerando chi o che cosa fornisce l'energia per la conversione, e che tipo di energia è convertita. In prima classificazione possiamo distinguere tra human power e enviromental power. Nel primo caso è l'utente che, in qualche modo, fornisce questa energia e, anche se i livelli di energia sono molto piccoli, l'effetto può risultare evidente quando più dispositivi dipendono dall'attività di un singolo utente. Solitamente sarà un essere umano, ma potrebbe essere anche un animale, per esempio nel caso di un dispositivo di controllo remoto. Nel seconda caso, invece, è l’ambiente che provvede a fornire energia grazie a dispositivi che ne raccolgono e la convertono in energia elettrica. Per esempio, l'energia di una breve trasmissione RF può essere valutata nell'ordine di 100 μW. Il secondo schema di classificazione può prendere in considerazione tre tipi di energia: cinetica, radiazioni elettromagnetiche (inclusa la luce e RF) e termica.  Nelle città e nelle aree molto popolate c'è un gran numero di potenziali fonti RF: trasmissione radio e tv, telefonia mobile, reti wireless, ecc Il problema è nel raccogliere tutte queste fonti disparate e convertirle in energia utile. La conversione è basata su un layout generale composto da un diodo Schottky situato tra i dipoli dell'antenna. I livelli di energia effettivamente presenti sono bassi. Tuttavia, le tecnologie future potrebbero incrementare la potenza disponibile ma, soprattutto, consentire la fabbricazione di dispositivi di potenza inferiori che vedrebbe "riciclare" perfettamente l’energia RF prodotta (Figura 1). Per i dispositivi human power sono disponibili solo l’energia cinetica e quella termica. In caso di energia cinetica umana, si possono distinguere le azioni realizzate appositamente per produrre energia e movimenti casuali effettuati durante un comportamento normale. Questi due casi sono chiamati, rispettivamente, energia umana attiva e passiva. Le fonti ambientali di energia cinetica comprendo anche le sorgenti di vibrazione, radiazioni solare, onde radio, raggi cosmici ed energia termica. I dispositivi possono raccogliere le vibrazioni quando si trovano sulle macchine, elementi edilizi o altri luoghi in prossimità di sorgenti di vibrazione. La radiazione può provenire a sua volta da fonti naturali o artificiali, mentre l'energia termica dipende dall'esistenza di un gradiente di temperatura. Mentre i metodi di trasduzione possono essere simili, le grandezze di eccitazione e spettri di frequenza sono molto diversi, e quindi ogni caso deve essere studiato separatamente. Ciò avrà ripercussioni anche nel circuito di condizionamento della potenza elettrica. Dispositivi sul mercato che utilizzano energia umana come unica fonte di energia sono ricevitori radio e torce elettriche. Questi dispositivi utilizzano l'energia cinetica fornita dall’avvolgimento di una manovella, o scuotendo il dispositivo, offrendo un buon rapporto tra tempo e l'uso. Mentre l'energia attiva umana è interessante come un concetto industriale, è l'energia passiva umana che presenta una vera sfida ed è più attraente perché elimina il problema di manutenzione in dispositivi portatili e indossabili. Tra i prodotti commerciali, i primi dispositivi sono gli orologi da polso, perché lavorano con una bassa potenza elettrica. Entrambi gli orologi alimentati con energia cinetica e termica sono stati commercializzati, anche se, attualmente, solo quella cinetica viene prodotta da diverse aziende. Per l'energia cinetica, la potenza di uscita è di 5 μW in condizioni normali, e fino a 1 mW quando l'orologio viene forzatamente scosso. Per la conversione termica, circa 1,5 μW o più viene generata quando la differenza di temperatura è 1-3 °C. I generatori termoelettrici in miniatura convertono il flusso di calore del corpo in energia elettrica. In generale si sostiene che può fornire circa 40 μW a 3 V con una differenza di 5 °C di temperatura. Le possibili applicazioni includono dispositivi medici, orologi da polso elettronici, sensori di calore autoalimentati ed elettronica mobile.

figura1

Figura 1: Layout generale di un generatore di energia elettrica a partire dai segnali RF

3.    Energia cinetica

L'energia cinetica è una delle sorgenti di energia più facilmente disponibile. Il principio alla base della raccolta di energia cinetica è lo spostamento di una parte mobile o la deformazione meccanica di una struttura all'interno del dispositivo. La conversione in energia elettrica [...]

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7 Commenti

  1. Massimiliano.MeinardiMessi 26 gennaio 2016
  2. Ernesto Sorrentino 26 gennaio 2016
  3. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio 26 gennaio 2016
    • Ernesto Sorrentino 26 gennaio 2016
      • Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio 26 gennaio 2016
  4. Massimiliano.MeinardiMessi 26 gennaio 2016

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