Energie rinnovabili: piccole celle fotovoltaiche utilizzate in applicazioni Energy Harvesting

Energie rinnovabili

Le soluzioni che prevedono un consumo particolarmente basso di energia, possono essere utilizzate in un’ampia gamma di sistemi wireless, come i dispositivi medici, i sensori per la pressione delle gomme, i sensori industriali e il tracciamento delle risorse. Queste applicazioni si trovano in stand-by per la maggior parte del loto tempo operativo e, una volta riattivate, alcuni parametri come la pressione e la temperatura vengono misurati da un sensore e trasmessi ad un sistema di controllo remoto.

L’intero processo di misurazione, elaborazione e trasmissione richiede un tempo che oscilla intorno ai dieci millisecondi, ma potrebbe richiedere centinaia di mW di potenza. Ma, visto che i duty cycle (il rapporto on-off) di questi sistemi sono generalmente molto bassi, l’energia media che necessita di essere raccolta è di conseguenza relativamente ridotta.

La sorgente che alimenta, infatti, potrebbe essere anche una batteria, che però necessita di essere ricaricata o cambiata periodicamente e quindi i conseguenti costi renderebbero non fattibile una simile soluzione. A questo punto, una valida e interessante alternativa potrebbe essere una sorgente di energia ambientale.

Applicazioni wireless emergenti: sensori a nanopotenza

Nel caso delle automazioni nel settore delle costruzioni, l’utilizzo di termostati e interruttori della luce può fare a meno dell’apporto di energia solitamente richiesto e servirsi invece di un sistema di Energy harvesting. In questo caso ci troviamo di fronte ad un approccio alternativo, che può anche attenuare il peso dei costi della manutenzione di routine, come ad esempio la sostituzione della batteria nelle applicazioni wireless. Una rete wireless che utilizza tecniche di Energy harvesting può collegare qualsiasi numero di sensori insieme, all’interno di un edificio, per gestire i costi relativi al riscaldamento, all’aria condizionata e all’illuminazione. Tutto questo semplicemente eliminando l’apporto energetico nel momento in cui alcune aree dell’edificio non sono abitate. Una tipica configurazione Energy harvesting si compone di quattro blocchi. Troviamo quindi:

1. Una sorgente di energia ambientale come una cella solare

2. Un componente per la conversione di energia per alimentare il resto del nodo

3. Una componente sensoriale che collega il nodo al mondo fisico; essa consiste in un microprocessore o microcontrollore che elabora la misurazione di dati e li memorizza

4. Una componente comunicativa composta da un segnale radio a corto raggio per le comunicazioni wireless con i nodi vicini e il mondo esterno.

Esempi di sorgenti di energia ambientale sono i generatori termoelettrici (TEGs) o le termopile attaccate ad una fonte che produce calore, o un trasduttore piezoelettrico collegato ad una sorgente meccanica vibrante, come una vetrata e le celle solari. Nel caso di una fonte di calore, viene utilizzato un dispositivo termoelettrico compatto (di solito ci si riferisce ad un trasduttore) per la conversione di piccole differenze di temperatura in energia elettrica.

Per le vibrazioni meccaniche e le tensioni, un dispositivo piezoelettrico è in grado di convertirle in energia elettrica. Le celle fotovoltaiche sono invece in grado di generare oltre 50mW di energia elettrica, per ogni cm quadrato di area della sorgente di luce, nel picco della sua luminosità e per un massimo 100uW per l’illuminazione domestica.

Una volta, l’energia elettrica si può convertire in un circuito di Energy harvesting e modificare in una forma di energia adatta ad alimentare ulteriori apparecchi elettronici. Nonostante sensori e microcontrollori a baso costo e a basso consumo siano disponibili da diverso tempo, solo di recente i ricetrasmettitori a bassissimo consumo sono stati integrati con i microcontrollori per offrire una connettività senza fili a basso consumo.

Energy harvesting: un caso di studio

Vediamo adesso un case study relativo all’energy harvesting, prendendo come esempio un sistema di monitoraggio industriale basato su questo tipo di raccolta di energia (un condotto che si trova in una landa sperduta e la cui velocità di flusso deve essere costantemente controllata ogni 50 metri, così come la temperatura e la pressione). Ogni nodo presenta sensori per la temperatura, la pressione e il flusso, integrati nella parete del condotto.

Le misurazioni devono essere effettuate e riportate ogni cinque secondi e, visto che il condotto potrebbe essere lungo centinaia di chilometri, l’energia necessaria e le linee di informazione sarebbero costose e soggette ad una costante manutenzione. Lo stesso discorso va fatto nel caso fossero applicate le batterie.

Quello che serve è una sorgente che possa produrre energia in modo continuativo, sufficiente al fabbisogno, prontamente disponibile e sostenibile. La soluzione potrebbe essere la combinazione di piccole celle solari con un dispositivo di immagazzinamento, come una batteria, in modo da fornire energia di continuo, anche durante la notte o in cattive condizioni meteorologiche.

Energy harvesting IC

Il convertitore step-up a bassissima tensione, LTC3105 della Linear Technology, è progettato specificatamente per semplificare in modo radicale il compito di gestire e raccogliere l’energia da sorgenti alternative a bassa tensione e alta impedenza, come le celle fotovoltaiche, i TEG e le celle a combustibile.

Avviandosi con una tensione di input pari a 250mV, si dimostra ideale per raccogliere energia da piccolissime celle fotovoltaiche anche in assenza di condizioni ideali. Il circuito mostrato in figura, utilizza il convertitore LTC3105 per caricare una batteria a litio ad una cella, da una singola cella fotovoltaica.

Questo circuito permette alla batteria di caricarsi di continuo quando la fonte di luce è disponibile e, accumulando energia in eccesso, la può rilasciare nel momento in cui la sorgente viene meno. LTC3105 ha la capacità di avviarsi con soli 250mV. Durante questa fase, l’output AUX viene inizialmente caricato con i rettificatori sincroni disabilitati.

Una volta raggiunto, approssimativamente, il valore 1, il convertitore passa alla modalità operativa. MPPC non è attivo durante l’avvio. Tuttavia, le correnti sono limitate all’interno a livelli sufficientemente bassi da permettere l’avvio anche da fonti molto deboli. Quando il convertitore è in modalità start-up, lo switch interno tra AUX e VOUT resta disabilitato, cosa che avviene anche per LDO. In figura viene mostrata una tipica sequenza di avvio.

Quando la tensione di output è maggiore di quella di input e maggiore di 1.2V, il rettificatore sincrono viene abilitato. In questa modalità, il Mosfet a canale N tra SW e GND viene attivato fino a che la corrente di induzione raggiunge il picco limite. A questo punto, il Mosfet a canale N viene spento e si attiva il Mosfet a canale P tra SW e l’output.

Questo switch resta attivo fino a che la corrente di induzione scende sotto il limite e il ciclo viene ripetuto. Quando VOUT raggiunge il punto di regolazione, i Mosfet a canale N e P, connessi al pin SW, vengono disabilitati e il convertitore entra in fase sleep.

Articolo tratto da Technology First by Farnell

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