Energy Harvesting: il futuro dell’alimentazione

Energy Harvesting da vibrazioni Immagine tratta da: http://ecofriend.com/wp-content/uploads/2012/07/piezoelectric_energy_harvesting_dmzga.jpg

I sistemi di alimentazione a batteria hanno grossi limiti strutturali, principalemte dovuti alla loro durata nel tempo. In natura però esistono fonti di energia rinnovabili, inesauribili e disponibili per essere opportunamente convertite. Tra queste si annovera certamente “la vibrazione”. Approfondiamo l’Energy Harvesting: ecco come fenomeni di movimento possono creare energia.

Grazie alla riduzione della dimensione dei circuiti per effetto dei progressi effettuati nella microelettronica e nella tecnica litografica, svolgere compiti elementari sta diventando sempre meno “power demanding” per i componenti elettronici e questo permette la creazione di fonti ecologiche e durature per le reti di sensori wireless. Lo sviluppo va nella direzione dell’utilizzo di fonti come l’energia solare, la temperatura e le vibrazioni.

L’esempio delle Reti di Sensori

Gli ingegneri che lavorano nei settori “Ricerca e sviluppo” oggi hanno il compito di creare reti di sensori capaci di raccogliere dati che provengano da diversi punti all’interno dell’ambito di lavoro. Le reti sono fatte da una serie di sensori connesse tramite nodi; ciascuno di essi è in grado di raccogliere informazioni quali temperatura, vibrazioni, radiazioni luminose, e di trasformarle in dati numerici da inviare a stazioni di elaborazione. L’utilizzo di questi strumenti può essere utile in diversi campi applicativi, specialmente quando parliamo di industrie ed areonautica. La produttività potrebbe risultare estremamente migliorata se questi sistemi diventassero parte del processo produttivo perché ridurrebbero i costi di monitoraggio, di manutenzione e, probabilmente, anche il tempo di inattività dei macchinari.

Non soltanto il campo industriale ed il processo produttivo potrebbero beneficiare di reti di sensori ma anche sistemi orientati al monitoraggio delle condizioni vitali dei pazienti, specie quelli per cui è necessario effettuare un controllo continuo (si pensi ad un Holter).

Le batterie possono alimentare questi dispositivi per un tempo necessariamente limitato. Una soluzione potrebbe essere quella di utilizzare sistemi di Energy Harvesting (EH), ovvero sistemi che siano in grado di convertire una qualunque forma di energia non elettrica, comunque presente nell’ambiente di studio o applicativo, in elettricità. Si tratterebbe di tecnologia che potrebbe alimentare i nodi per un tempo virtualmente infinito e garantirebbe la sostenibilità anche ambientale. Sfortunatamente però, l’uscita di potenza di un sistema EH è generalmente limitata alle decine o alle centinaia di microwatt, mentre un sistema che trasmetta alle radiofrequenze, oppure un microcontrollore, possono consumare potenza nell’ordine dei milliwatt. Questo significa che diminuire il consumo di potenza è assolutamente indispensabile per poter pensare ad un impiego serio della tecnologia EH nelle reti di sensori.

D’altronde che questo fenomeno avvenga è anche naturale: si tratta di effettuare una conversione grazie ad un sistema costruito dall’uomo e, per definizione, un sistema qualunque è caratterizzato da un rendimento che non sarà mai unitario!

Per una rete di sensori wireless (che da ora, per comodità indicheremo con l’acronimo WSN), il valore di energia richiesto per ottenere le informazioni, prelevate dall’ambiente in cui si trova il sensore, a valle della conversione, è di 500µJ. I dati in questione, infatti, ad esempio un valore di temperatura oppure di umidità, devono essere convertiti in numerico grazie all’utilizzo di un ADC ed inviati tramite protocolli, eventualmente standard come Bluetooth o Zigbee. Il valore di energia in questione potrebbe essere ridotto ad alcune decine di µJ nel prossimo futuro.

Pertanto i nodi funzionali di una rete alimentata da sistemi EH (ed il loro funzionamento) possono essere schematizzati come segue:

  • il dispositivo EH, che “cattura” l’energia dall’ambiente in cui si trova e la immagazzina all’interno di una batteria;
  • i circuiti integrati, costituiti da sensori e trasmettitori, caratterizzati da un consumo ridotto (5µW);
  • misurazione ed emissione vengono effettuate quando il sistema ha accumulato energia a sufficienza per permettersi di effettuare l’operazione. Il dato, memorizzato in un buffer, viene, quindi, inviato;
  • il buffer è vuoto, il sistema ritorna in stand-by. Il ciclo di carica riprende, in attesa di una nuova misura.

 

Questo sistema di misura contiene ed utilizza microcontrollori e dispositivi elettronici che hanno la necessità, mediamente, di essere alimentati ad almeno 3 V. È necessario, quindi, che ci sia un convertitore in uscita all’EH per fare in modo che tale valore resti costante nel tempo. Questo ulteriore stadio di conversione ha lo scopo di massimizzare la “estrazione” di potenza dall’EH.

 

Diverse fonti ambientali, compreso la luce ed i gradienti di temperatura, sono oggetto di indagine per il modo in cui è possibile convertirle in energia. Ci soffermeremo, però, in questo caso, su quelli basati sulla vibrazione, particolarmente indicati per macchinari, motori e similari.

 

Questi sistemi sono detti “vibration energy harvesting” (in breve VEH) e si basano su un concetto piuttosto semplice, ovvero quello della risonanza. La loro struttura di base è costituita da un sistema a molla che è soggetto ad una forza di frizione. Il fenomeno della risonanza si instaura una volta che avvenga la stimolazione “ambientale”. Questa struttura in particolare rende possibile l’amplificazione di vibrazioni di piccola ampiezza per effettuare la conversione in potenza in uscita. È importante notare che le vibrazioni ambientali, sia quelle naturali sia quelle ad opera dell’uomo, sono generalmente caratterizzate da frequenze molto basse, ovvero inferiori ai 100 Hz, nonché da ampiezze contenute, generalmente dell’ordine di poche decine di µm.

Ecco per quale motivo si rende indispensabile sfruttare i fenomeni di risonanza per la conversione.

Lo scopo dei ricercatori nel campo dell’EH è, quindi, quello di sviluppare convertitori in grado di convertire energia cinetica in potenza elettrica. L’effetto di questa conversione sul sistema può essere modellato con una forza elettrica che ha l’effetto di rallentare gli spostamenti della massa quando l’energia meccanica viene estratta e convertita in elettricità.

Tipi di convertitori

Esistono sostanzialmente tre tipi di convertitori che permettono la trasformazione di energia da meccanica ad elettrica: sistemi piezoelettrici, elettromagnetici ed elettrostatici.

Quelli piezoelettrici utilizzano materiali caratterizzati da questo effetto (piezoelettrico, appunto) grazie al quale generano cariche elettriche, e quindi correnti, non appena sottoposti a stress meccanici. Il principio della conversione, in un materiale che goda di questa proprietà, vale anche al contrario ma risulta meno utile nella conversione di energia. La conversione elettromagnetica, invece, è basata sulla legge di Faraday-Newmann-Lenz, ovvero sulla terza equazione di Maxwell: il movimento di un magnete attorno al quale sia presente un avvolgimento genera un flusso di corrente concatenato diretto in maniera tale da creare equilibrio elettromagnetico. Il terzo tipo, infine, è quello elettrostatico che utilizza un elettrete (che in generale può essere un disco di Teflon caricato elettrostaticamente) per indurre cariche all’interno degli elettrodi. Questo sistema è caratterizzato da una disposizione opportuna degli elettrodi in cui uno di questi genera una variazione della carica presente sull’elettrete ed induce la circolazione di corrente.

Indipendentemente dal principio di funzionamento, qualunque sia il convertitore in oggetto, l’uscita di potenza di un VEH è limitata da principi fisici, come accennavamo prima, salvo che non intervengano comportamenti non lineari. L’intensità di potenza prodotta sarà, quindi, proporzionale alla massa mobile e all’accelerazione al quadrato nonché inversamente proporzionale alla larghezza di banda.

Ciascuno di questi sistemi ha, comunque, una serie di vantaggi e svantaggi che vanno tenuti in debita considerazione. Per fare questo, diamo un’occhiata alla seguente tabella:

Supponiamo di voler analizzare il comportamento di dispositivi piezoelettrici ed elettrostatici. Questi, in particolare, presentano alti valori di tensione d’uscita e si dimostrano semplici da “rettificare” grazie all’utilizzo di un ponte a diodi. Le scarse perdite resistive rappresentano un ulteriore attrattiva.

 

Per questi dispositivi è possibile ottenere una conversione fino a 10µW/g dalle vibrazioni ambientali (0.1G@50Hz) , quando la frequenza di risonanza viene “accordata” alla frequenza di liberazione ambientale.

Pros & cons

L’effetto di risonanza rappresenta sia il principale vantaggio di questo sistema sia il suo limite più grande perché questi sistemi possono trasformare una maggiore quantità di potenza quando la frequenza di vibrazione ambientale si “adatta” (nel senso che combacia) con la loro frequenza di risonanza ma, nel migliore dei casi, hanno una banda molto stretta che non eccede intervalli di qualche Hz.

Un ulteriore problema è l’insorgere di eventuali effetti non lineari; tali problematiche si affiancano a quelle relative al tuning della frequenza di risonanza. I limiti fisici al comportamento lineare rappresentano, di certo, la principale ragione per cui questo tipo di sistemi non è diffuso come sarebbe logico aspettarsi vista la loro attrattiva. Tuttavia esistono delle soluzioni che possono da un lato aumentare la banda e dall’altro diminuire gli effetti non lineari. Esistono, in particolare, sostanzialmente due modi per riuscire ad aumentare la larghezza di banda: è possibile sfruttare fenomeni non lineari (passivi) oppure effettuare il tuning delle frequenze (attivi).

Alcuni degli effetti non lineari studiati sono presenti in tutte le strutture meccaniche ma solo adesso si comincia a pensare di poterli sfruttare per guadagnare qualcosa sull’uscita dei sistemi VEH. Gli effetti non lineari non hanno necessità di essere “attivati” da una logica di controllo perché sono fenomeni tipicamente passivi, ovvero si verificano comunque. La sfida, pertanto, è quella di controllarne l’influenza in modo tale da permettergli di diventare utili piuttosto che semplicemente parassiti, se non addirittura dannosi.

Durante la fabbricazione dei sistemi è necessario, pertanto, prevedere queste “influenze” e ciò è reso possibile dal fatto che vengono inserite delle molle che, grazie a comportamenti non lineari, incrementano del 50% la resa del sistema. Anche se questi fenomeni risultano piuttosto utili allo scopo, la seconda tecnica, ovvero quella del “tuning delle frequenze”, promette di realizzare i risultati più interessanti. L’obiettivo è quello di modificare la frequenza naturale di risonanza del sistema alterando la struttura delle molle che possono essere cambiate in maniera controllata da un circuito attivo che sia capace di cercare i parametri conformazionali ottimali per massimizzare l’uscita di potenza.

Esistono, sostanzialmente, due modi per studiare i VEH piezoelettrici: il primo consiste nell’utilizzare strutture composte da tre strati dei quali due sono piezoelettrici ed uno a base di Silicio. Il primo risulta collegato al circuito di controllo il quale applica una tensione “capace” di “modificare” lo stato stesso e quindi la sua frequenza di risonanza. L’energia viene così “harvested” dallo strato piezoelettrico numero due. Il secondo metodo è basato su variazioni del carico elettrico; quando gli strati piezoelettrici hanno forti (grandi) coefficienti di accoppiamento, è possibile modificare la conformazione degli strati adattando il carico. Il risultato è quello di alterare la frequenza di risonanza.

 

Indipendentemente da quale dei metodi si scelga, è possibile ottenere il “tuning” della frequenza in un intervallo che si aggira intorno al 20% della frequenza “naturale”.

Come abbiamo visto in precedenza, per sviluppare il sistema che effettua l’energy harvesting è necessario l’utilizzo di un convertitore piuttosto che un sistema di immagazzinamento perché l’output di potenza è caratterizzato da alti valori di tensione AC e bassi valori di corrente che non possono essere utilizzati per i componenti.

È necessario, dunque, fare power management; a questo risultato si può pervenire utilizzando diversi convertitori DC/DC. Taluni riescono addirittura a raggiungere un’efficienza dell’80% (ed anche più) e vengono pilotati in maniera piuttosto semplice con un consumo di potenza che non supera i 5µW. Un esempio è rappresentato dalla configurazione flyback.

Ed ecco un sunto di quanto detto ed un’idea di come questo scenario presente potrebbe evolvere.

 

Tirando le somme

Quello che possiamo dire per certo dei sistemi di harvesting è che la riduzione del consumo di potenza per lo svolgimento di funzioni elementari è possibile anche grazie alla sostituzione della batterie che non rappresentano più l’unica possibilità (o meglio, la scelta obbligata) per alimentare un sistema. Il futuro di questi dispositivi, e più in generale di tutta la tecnologia per EH sarà quello di riuscire a ridurre la dissipazione di potenza, il consumo di energie non “verdi” e, sperabilmente, di fornire ulteriori spunti per lo sviluppo della tecnologia come la conosciamo oggi.
E voi, che cosa ne pensate? Avete mai lavorato con un sistema che fa Energy Harvesting? Per cosa lo avete adoperato? Con che risultati?

 

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2 Comments

  1. Piero Boccadoro Piero Boccadoro 11 ottobre 2012
  2. Piero Boccadoro Piero Boccadoro 15 ottobre 2012

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