Energy Harvesting: come produrre energia dall’ambiente (Design Note Linear)

Energy Harvesting LTC3588-1

Energy harvesting. Attraverso il suo Design Note DN483, Linear Technology ci mostra come sia possibile produrre energia sfruttando diversi fenomeni fisici ambientali, un fattore cruciale per l’eliminazione delle batterie nei sensori wireless.

I recenti progressi compiuti nel settore dei microcontrollori a bassissimo assorbimento hanno permesso la realizzazione di dispositivi con un elevato grado di integrazione e funzionalità aggressive di power saving, come ad esempio la possibilità di eseguire lo shutdown del componente per portarsi nella modalità idle. Purtroppo, le batterie vanno periodicamente sostituite, un’operazione che comporta dei costi soprattutto in fase di manutenzione.

Ma non esiste proprio una soluzione a questo tipo di problema? La risposta è affermativa, e consiste nell’abilità di trasformare l’energia sempre disponibile nell’ambiente sotto forma di energia meccanica, termica, o elettromagnetica, in energia elettrica e utilizzare quest’ultima per alimentare direttamente i dispositivi wireless.

L’LTC3588-1, visibile nell’immagine sottostante, rappresenta una soluzione completa di energy harvesting ottimizzata per impieghi con sorgenti di energia ad elevata impedenza, come i trasduttori piezoelettrici. Il componente contiene un ponte raddrizzatore ad onda intera a bassa perdita e un convertitore di tipo buck sincrono ad elevata efficienza, in grado di trasferire l’energia dalla fonte presente in ingresso all’uscita, con una tensione stabilizzata in grado di sopportare carichi con assorbimento fino a 100mA.

 

Fonti di energia ambientali

Diverse sono le forme di energia presenti nell’ambiente che ci circonda, come ad esempio la luce, le variazioni di calore, le vibrazioni, i segnali trasmessi in radiofrequenza (RF), ed in generale tutte quelle forme di energia in grado di produrre elettricità tramite un apposito trasduttore. Un possibile elenco è il seguente:

  • la luce – i pannelli solari di piccole dimensioni vengono impiegati ormai da diversi anni per alimentare alcuni tipi di dispositivi elettronici portatili, e sono in grado di produrre 100s di mW/cm2 in condizioni di luce diretta e 100s di μW/cm2 in condizioni di luce indiretta
  • il calore – i generatori ad effetto Seebeck sono in grado di convertire l’energia termica in elettricità nel caso sia presente un gradiente di temperatura ΔT
  • vibrazioni – i dispositivi piezoelettrici possono produrre energia sfruttando sia la compressione che la deflessione del trasduttore. Un elemento piezoelettrico è in grado di produrre 100s di μW/cm2 a seconda delle sue dimensioni e della tecnica impiegata per la sua costruzione
  • energia RF – il segnale a radiofrequenza può essere raccolto tramite un’antenna appropriata e produrre una quantità di energia corrispondente a 100s di pW/cm2

E’ evidente a questo punto che per sfruttare pienamente il meccanismo di energy harvesting occorre intervenire essenzialmente su due punti:

  1. progettare opportunamente l’elettronica del dispositivo wireless in modo tale che esso utilizzi microcontrollori e trasduttori con assorbimento di potenza minimo
  2. impiegare dei componenti ad elevata efficienza in grado di convertire l’uscita del trasduttore in una tensione elettrica utilizzabile a scopi pratici. Questo è proprio il campo di azione del dispositivo offerto da Linear Technology

L’immagine seguente mostra lo schema a blocchi di un sistema di conversione dell’energia che sfrutta il meccanismo di energy harvesting. Sono individuabili i seguenti blocchi: la sorgente di energia/trasduttore, un elemento in grado di immagazzinare l’energia preceduto da un circuito raddrizzatore e seguito da un regolatore di tensione. Il ponte raddrizzatore può servire sia per evitare che parte dell’energia convertita ritorni verso il trasduttore, sia per raddrizzare un segnale alternato (ad esempio nel caso di un trasduttore piezoelettrico).

 

Energy harvesting – Esempi applicativi

L’LTC3588-1 richiede che la tensione di uscita del trasduttore sia superiore alla soglia di undervoltage lockout del trasduttore, impostata tramite i pin di ingresso D0 e D1 del componente stesso. Al fine di massimizzare il trasferimento di energia, il trasduttore di energia deve avere una tensione in circuito aperto pari al doppio della tensione operativa in ingresso, e una corrente di corto circuito pari al doppio della corrente di ingresso richiesta. Se questi requisiti hardware vengono soddisfatti, si può garantire un’erogazione di potenza dal circuito in modo continuativo.

Trasduttore piezoelettrico

In quest’applicazione viene utilizzato un dispositivo piezoelettrico, che, collocato in prossimità di un flusso di aria,è in grado di produrre una potenza pari a 100μW alla tensione di 3.3V. La deflessione totale del trasduttore piezoelettrico è pari a 0.5cm alla frequenza di 50Hz.

 

Trasduttore Seebeck

In questo caso il sistema di energy harvesting, visibile nell’immagine sottostante, impiega un trasduttore ad effetto Seebeck (prodotto da Tellurex Corporation). Il gradiente termico produce una tensione di uscita in grado di sopportare un assorbimento da parte del carico pari a 300mW. Collegando il trasduttore all’ingresso PZ1 si evita che la corrente fluisca all’indietro verso il dispositivo Seebeck quando la sorgente di calore viene rimossa. La resistenza da 100Ω fornisce inoltre una limitazione di corrente per proteggere il ponte presente in ingresso all’LTC3588-1.

 

Energia prodotta dal campo EM prodotto da lampade fluorescenti

Lo schema seguente mostra un’applicazone in cui l’energia viene prodotta dalla conversione del campo elettrico creato nelle immediate vicinanze di tubi fluorescenti ad elevata tensione. Due pannelli di rame delle dimensioni di 12pollici x 24pollici (circa 30cm x 60cm) sono posti ad una distanza di 6 pollici (circa 15cm) da una lampada fluorescente. I pannelli di rame generano una potenza pari a circa 200μW per effetto capacitivo, essendo nelle immediate vicinanze del campo elettrico generato dalla lampada fluorescente; l’LTC3588-1 converte poi questa potenza in una tensione elettrica regolata.

 

Attraverso questi esempi di applicazione abbiamo visto come l’LTC3588-1 consenta ai sensori remoti di operare senza l’utilizzo di batterie, convertendo in tensione elettrica varie forme di energia disponibili nell’ambiente circostante. Questo componente include tutte le parti necessarie per realizzare un dispositivo di gestione della potenza: un ponte raddrizzatore a bassa perdita, un regolatore buck ad alta efficienza, ed un rivelatore UVLO (Under Voltage LockOut) a basso bias.

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4 Comments

  1. electropower 11 maggio 2011
  2. Giovanni Giomini Figliozzi 12 maggio 2011
  3. Giovanni Giomini Figliozzi 12 maggio 2011
  4. @ngelo 18 giugno 2011

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