Le sfide significative che la maggior parte dei dispositivi deve affrontare nel campo dell’elettronica riguardano le dimensioni fisiche e i consumi energetici. Con l’avvento della nuova tecnologia nell’ambito dell’IoT, ingegneri e progettisti stanno studiando nuovi metodi per alimentare i propri dispositivi, sfruttando oltretutto nuovi processi della fisica dei materiali per ridurre ulteriormente i consumi.  Molte aziende stanno indagando su sofisticati metodi di raccolta di energia che coinvolgono un certo numero di sorgenti, ognuna delle quali fornirà una piccola quantità di energia elettrica sfruttando i movimenti (e l'energia termica) del corpo, le vibrazioni delle infrastrutture, le radiazioni RF artificiali e l'energia solare. Molti analisti stimano un mercato globale in decisa crescita soprattutto per applicazioni WSN (Wireless Sensor Network) in vari settori commerciali e industriali.

Introduzione

Negli ultimi dieci anni, vi è stata una crescente domanda di dispositivi elettronici di consumo con tutta una serie di particolari caratteristiche, quali, alta efficienza energetica, bassa manutenzione e piccole dimensioni. Tutte queste hanno portato nel corso del tempo alla crescita dei dispositivi basati sulla tecnologia di energy harvesting, trainata anche dalla necessità di ridurre le emissioni di anidride carbonica così come un deciso risparmio nell’utilizzo di materiali pericolosi che compongono le batterie.  Un numero elevato di dispositivi IoT svolgono compiti di monitoraggio e controllo nelle applicazioni smart in aree di difficile accesso. Per la completa realizzazione di queste applicazioni, un dispositivo dovrebbe essere molto piccolo e autonomo. Questi semplici pre-requisiti implicano rigorosi accorgimenti per l'accumulo di energia e la gestione dell'alimentazione, al fine di garantire un corretto e continuo funzionamento senza cavo di alimentazione e, in un prossimo futuro, senza batteria.  Il mercato globale dell’energy harvesting è stato stimato crescere con un Compound Annual Growth Rate (CAGR) del 20 % tra il 2016 e il 2022 secondo alcuni rapporti di mercato delle società  MarketsandMarkets e IDTechEX.  Questo mercato dovrebbe superare 1 miliard0 di dollari entro il 2020. I principali fattori trainanti sono il risparmio energetico e la lunga durata dei dispositivi. Si stima che l'America detenga la quota di mercato più grande, e continuerà ad averla nei prossimi anni forte dei notevoli investimenti nel campo accademico per la ricerca.  Molti mercati stimano un massiccio utilizzo delle tecniche di energy harvesting, a cominciare dalle varie soluzioni WSN per l’automazione, passando per i sistemi di controllo lighting e della sicurezza.

Figura 1: Il mercato globale dell'energy harvesting (valori sull'ordinata *1000 $) [Fonte: IDTechEx]

Figura 2: Consumi di potenza per varie applicazioni [Fonte: IDTechEX]

Il mercato

La raccolta di energia è una delle tecnologie più promettenti per affrontare la crisi energetica. Il processo sfrutta la potenza dell’energia ambientale disponibile in varie soluzioni e impiegate in molte applicazioni. Nell’ambito dei sistemi high power il fotovoltaico è la soluzione che si appresta ad essere la colonna portante del mercato con nuove sfide legate all’aumento dell’efficienza stimata oltre il 30%. Nel campo low power con i dispositivi indossabili e telefonia mobile, le soluzioni di energia cinetica, termica e RF dovrebbero guidare il mercato a livello globale con un ritmo considerevole.

L'energia può essere raccolta da diverse fonti, quelle più comunemente usate sono l’energia cinetica intesa come rotazione o vibrazione; l’energia solare; le radiazioni elettromagnetiche dei vari router wireless e dispositivi Mobile presenti nell’ambiente; e termica sfruttando la variazione di temperatura e quindi l’effetto Seebeck. In quest’ultimo ambito, un’ulteriore sfida è quella di aumentare l'efficienza intrinseca dei materiali con nuove soluzioni di micro e nano tecnologie.  Sulla base dell'applicazione, il mercato è segmentato in elettronica di consumo, industriale, militare e aerospaziale, automotive, sanità. Tra questi, il settore dell'elettronica di consumo, compresi i telefoni cellulari, calcolatrici, orologi da polso e altri dispositivi wearable, copre la quota massima del mercato globale, seguito dalle applicazioni militari e aerospaziali. Tuttavia, la domotica è il segmento di applicazione in più rapida crescita. Da un punto di vista geografico, il continente Americano e Asiatico dovrebbero essere i leader di mercato fino al 2022, a causa dei crescenti investimenti nelle varie tecnologie. I due paesi che contribuiranno in maniera considerevole sono gli Stati Uniti e il Giappone.

La sola raccolta di energia ovviamente non è ancora sufficiente per poter generare quantità di energia considerevoli in una modalità attiva continua; quindi deve essere prevista una modalità di funzionamento "intermittente", così come soluzioni di storage al fine di garantire il buon funzionamento di un dispositivo. In tutto ciò, i dispositivi di archiviazione avanzati come i supercondensatori e le batterie a film sottile, stanno emergendo nel mercato in grado di accumulare l’energia raccolta e migliorare ulteriormente l’efficienza e le dimensioni del sistema.

Soluzioni IC

Tutte le tecnologie di raccolta forniscono relativamente piccole quantità di energia (tipicamente valori di correnti nella gamma dei microampere). La progettazione del sistema di alimentazione ottimizzato è quindi essenziale per consentire ai sensori wireless basati su queste fonti di energia di funzionare correttamente. Un nuovo studio della Semico Research ha stimato come il mercato dei semiconduttori sarà guidato dall’energy harvesting, stimando un valore di vendita pari a circa 3 miliardi di dollari nel 2020. I componenti chiave per un sistema di raccolta di energia includono il trasduttore, sia che si tratti di quello termico, fotovoltaico o meccanico-vibrazionale, oltre ad un dc-dc di gestione, microcontrollore e un dispositivo di immagazzinamento dell'energia. I venditori di MCU, sensori e altri componenti continueranno a sviluppare la microelettronica sempre con un minimo consumo di energia elettrica, in modo da ottimizzare la raccolta di energia e renderla autonoma nel prossimo futuro senza l’ausilio di una batteria.  Le prime applicazioni che faranno uso della raccolta di energia includono: nodi di sensori wireless (WSN), infrastrutture, building automation e di controllo, e la domotica di illuminazione, sicurezza e sistemi ambientali. La raccolta di energia crescerà anche in applicazioni automotive, sfruttando la meccanica (vibrazioni) delle automobili, e nella telefonia mobile e dispositivi indossabili con soluzioni RF. Alcuni dei tradizionali fornitori di semiconduttori per l'energy harvesting sono Linear Technology, Maxim Integrated, Texas Instruments, STMicroelectronics, Atmel, Silicon Labs e Microchip. Ma ci sono anche alcune nuove aziende che stanno cercando di sviluppare soluzioni innovative per entrare nel mercato.

Conclusioni

I sensori WSN hanno scatenato un drammatico aumento di interesse verso l’energy harvesting, in quanto rappresentano una tecnologia affidabile e facile da installare che è alla base dell’Internet delle cose (IoT). La progettazione di un nodo sensore con un minimo consumo di energia, senza manutenzione e alla massima efficienza, è una sfida per il prossimo futuro. La gestione del dispositivo con un efficiente power management permetterà, inoltre, di ridurre al minimo il consumo di energia aumentando nello stesso tempo l’efficienza di raccolta dell’energia ambientale.

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