Il potenziale impatto dell’energy harvesting

Il primo focus di questo nuovo anno che andremo ad approfondire con la rivista Firmware è l'energy harvesting.  La raccolta di energia ha l'obiettivo di convertire varie fonti ambientali in corrente elettrica per alimentare qualsiasi dispositivo. Quanta energia è disponibile intorno a noi? Che tipo di fonti di energia abbiamo? Qual è l'utilità? Il potenziale impatto dell'energy harvesting potrebbe essere economicamente enorme riducendo i costi di gestione e, cosa ancora più importante, rappresentare un fattore positivo per l'ambiente che necessita di numerose attenzioni.

L'industria energetica è sempre a fuoco per la ricerca di numerose tendenze tecnologiche, sia che si tratti di risparmio energetico, di estrazione di energia, o di nuovi modi per utilizzare combustibili alternativi. Sin dai tempi antichi, la domanda di nuove fonti di energia è un tema sempre acceso. Ancor più oggi, con la necessità di ridurre la dipendenza dalle fonti di combustibili fossili, con la consapevolezza dei loro effetti dannosi sull'ambiente, l'energy harvesting nelle sue forme di high e low power si sta diffondendo sempre di più, rappresentando, di fatto, le soluzioni di alimentazione elettrica del prossimo futuro.

Negli ultimi anni, la raccolta di energia ha decisamente fatto passi da gigante nello sviluppo di sistemi energetici, forte anche della richiesta di numerosi dispositivi sempre più complessi e di lunga durata, ma con dimensioni molto contenute (pensiamo ai "semplici" smartphone).  Attraverso le batterie a film sottile e la nuova tecnologia dei trasduttori, la raccolta di energia potrebbe essere la prossima grande frontiera nel settore delle energie rinnovabili. Per catturare, trasformare, conservare e distribuire l'energia, i sistemi di energy harvesting utilizzano una varietà di componenti altamente efficienti. L'energia è presente quotidianamente attorno a noi sia come fonte artificiale (vedi sorgenti RF mobile), sia naturale come la radiazione solare in termini di fotoni o particelle subatomiche. A seconda dell'energia, un sistema di raccolta può essere costituito da trasduttori come i pannelli solari per la raccolta dell'energia luminosa, trasduttori piezoelettrici (vibrazione) per l'energia cinetica, dispositivi termoelettrici di calore o di temperatura differenziale e dispositivi elettromagnetici. L'energia ambientale è presente in natura in soluzioni di macro e micro scala: l'energia solare è un classico esempio con soluzioni pratiche molto apprezzate nel campo high power sebbene l'efficienza complessiva rimanga piuttosto bassa (attualmente ci sono molte attività di ricerca con l'obiettivo di migliorare l'efficienza complessiva attraverso nuovi materiali per i pannelli fotovoltaici). Oltre all'energia su larga scala quale il solare, ci sono varianti che possono essere definite su piccola scala da implementare in sistemi a bassa potenza, come i dispositivi indossabili e smartphone. Le vibrazioni meccaniche rappresentano la fonte di energia per eccellenza, nelle industrie, strade, automobili, in ogni momento vi è un fenomeno di vibrazione.  C'è poi tutto il settore RF con i segnali radio, ma anche il calore corporeo e il movimento degli arti.

Attualmente, la maggior parte dei dispositivi elettronici soprattutto nel mercato consumer (telefoni cellulari, wearable), sono alimentati da batterie. Tuttavia, le batterie hanno diversi svantaggi: devono essere sostituiti o ricaricati periodicamente e per lo più non sono pratici con le loro dimensioni e peso. Una delle sfide di mercato è la potenziale riduzione delle batterie ingombranti e nuovi sistemi di power management tale da migliorare l'efficienza dei dispositivi. Una possibilità è estrarre appunto energia dall'ambiente per ricaricare una batteria o per alimentare direttamente il dispositivo elettronico.

L'avanzamento della microelettronica con nuovi IC per il power management dovrebbe aiutare la tecnologia, migliorando l'efficienza di raccolta con l'obiettivo finale di eliminare completamente la batteria di un dispositivo elettronico. Quest'ultimo obiettivo sappiamo che è di difficile realizzazione, soprattutto perchè l'energia ambientale non è costante ma variabile e non sempre tale da soddisfare le richeste dei carichi elettrici; in tal senso ci viene in aiuto le soluzioni di storage con le batterie a film sottile e supercondensatori che non solo riducono le dimensioni dei sistemi elettronici ma rappresentano un buon compromesso per l'impiego della tecnologia.

Con l'avvento dell'IoT, come possono essere alimentati tutti quei miliardi di dispositivi connessi ? La risposta è l'energy harvesting.

La sensoristica wireless (WSN) facilita notevolmente il monitoraggio e il controllo con pochi interventi nei sistemi esistenti; sono altamente flessibili da installare in modo che possano essere facilmente collegati in rete per formare un sistema intelligente senza un complesso cablaggio. Le combinazioni di diversi tipi di raccolta di energia sono in grado di ridurre ulteriormente la dipendenza dalle batterie, in particolare in ambienti in cui le varie fonti ambientali disponibili cambiano periodicamente. Questa combinazione ha il potenziale obiettivo di aumentare l'affidabilità dei sensori wireless per il monitoraggio, con la possibilità di renderli, un giorno, totalmente indipendenti dalla batteria.

 

 

 

Una risposta

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 16 gennaio 2017

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