Le soluzioni di Energy Harvesting per l’IoT

Negli ultimi anni molta attenzione è stata posta sull'Internet of Things (IoT), ovvero tutta una serie di dispositivi commerciali ed industriali (IIoT) interconnessi attraverso la rete wireless (e cablata). Gli analisti stimano un numero sempre crescente di dispositivi IoT, circa 20 miliardi nei prossimi 5 anni. L'avvento di questi dispositivi pone un serio problema sull'alimentazione e le relative batterie che devono essere acquistate, mantenute e smaltite; la tecnica dell'energy harvesting presenta una soluzione semplice per alimentare facilmente ed economicamente i dispositivi low-power utilizzando nello stesso tempo un’energia pulita.

La spinta tecnologica dell'IoT è sfruttare le potenzialità della rete per ottenere una serie di nodi interconnessi al fine di aggiungere ulteriori funzionalità operative; pensiamo ad un insieme di sensori wireless (WSN) collegati in rete per fornire dati ambientali accessibili mediante browser/cloud per una pre-analisi. Il valore aggiunto è un miglior controllo consentendo in tal modo un deciso comfort, maggiore efficienza energetica, riduzione dei costi ecc, aggiungendo intelligenza per i dispositivi esistenti e anche la conseguente diffusione di nuovi dispositivi in ​​tutto l'ambiente circostante. Una delle tante sfide per i progettisti è valutare il fattore energetico, stimando l'energia necessaria e progettando la relativa configurazione di alimentazione. 

Se vi è una linea di alimentazione AC o una convenzionale batteria a lunga durata, la decisione è notevolmente semplificata e non si necessitano di grandi tecniche progettuali se non quelle relative al power management. La più vasta rete di sensori WSN (Wireless Sensor Network) raccoglierà informazioni sull'ambiente circostante, fornendo una notevole quantità di dati (Big Data) che permetterà il controllo del dispositivo, il monitoraggio e la previsione, così come nuovi servizi cloud-based a seconda del tipo di parametro che si sta misurando, quale temperatura, umidità, illuminazione, movimento, pressione, distorsione, gas etc. Un data logger WSN consiste, oltre dei corrispondenti sensori, di un MCU per l'elaborazione dei dati raccolti e per il controllo del sistema e un chip per eseguire comunicazioni wireless. Si consideri che la maggior parte di questi dispositivi sono decisamente piccoli, e la batteria non solo può incrementare il costo ma ne determina le dimensioni fisiche.

Uno dei segmenti di mercato emergenti coperti sotto la IoT è la categoria di elettronica indossabile. Indipendentemente dall'applicazione, la maggior parte di questi dispositivi richiedono una batteria come fonte di alimentazione principale. Lo sviluppo dell'internet degli oggetti promette di essere avvincente e di avere un grande impatto economico grazie all'evoluzione dei dispositivi a semiconduttore e al progresso della tecnologia wireless, consentendo dispositivi più piccoli e nello stesso tempo più efficienti. Un requisito fondamentale per IoT è il power management: i dispositivi portatili necessitano ovviamente di batterie, ma la possibilità di sostituirli completamente o limitare la sostituzione/ricarica è un fattore di notevole importanza considerando l'avvento di ulteriori dispositivi connessi nel prossimo futuro.

Le tecnologie di energy harvesting possono essere di aiuto, esse utilizzano elementi di generazione dell'energia elettrica come le celle solari, trasduttori RF, elementi piezoelettrici e termoelettrici per convertire la luce e le vibrazioni. Quando si utilizza la raccolta di energia, vi è un punto da considerare, un equilibrio tra generazione e consumo energetico. Questo perché il dispositivo non funziona se la generazione di energia è inferiore alla potenza richiesta. Anche se le caratteristiche di generazione degli elementi di produzione di energia stanno migliorando di anno in anno, e la microelettronica continua il passo su un ultra-low power management, è difficile fornire continuamente energia sufficiente per un dispositivo su base continuativa e la necessità di una tecnica di raccolta in una prima fase potrebbe essere di aiuto.

In ogni caso, i circuiti che sfruttano l'energy harvesting potrebbero rendere indipendenti le soluzioni IoT low power o prolungare la durata del dispositivo di accumulo.

I circuiti integrati di gestione dell'alimentazione progettati per la raccolta di energia, così come MCU a basso consumo, aiuteranno la crescita dell'Internet delle cose. L'energy harvesting è una valida, ma non una semplice o facile opzione per l'alimentazione di design IoT. Si richiede un attento esame della sorgente, il tipo di trasduttore, l'implementazione e la localizzazione, l'efficienza dell'energia disponibile, i livelli di potenza richiesti, la componente di accumulo di energia e l'elettronica di gestione. La sfida principale è quella di aumentare l'efficienza intrinseca dei materiali, al fine di convertire in elettrica una parte di energia termica/RF/vibrazionale. A tal fine, le micro e nano tecnologie vengono prese in considerazione. Ovviamente, in molti scenari applicativi di dispositivi a bassa potenza è difficile ottenere una modalità attiva continuativa di energia, derivante non solo dall'elettronica ma anche dalle situazioni ambientali (scarsa luce). Quindi una modalità di accumulo, se pur di dimensioni molto più piccoli dei casi generali, è ancora necessaria per garantire il buon funzionamento di un dispositivo. La tendenza recente è stata verso la sostituzione delle batterie ricaricabili con super-condensatori caratterizzati da cicli di carica-scarica "illimitati" (> 100.000). Le più grandi opportunità di crescita per i prossimi anni sono attesi nelle tecnologie di raccolta termoelettriche, RF e solari per l'alimentazione di dispositivi IoT. Questa crescita è giustificata da un significativo progresso nella scienza dei materiali.

Il connubio perfetto tra Energy Harvesting e Power Management potrebbe essere la scelta vincente per ottenere energia pulita e nello stesso tempo limitare i consumi gestendo in modo efficiente i dispositivi di accumulo di energia, al fine di soddisfare la domanda energetica nei momenti in cui nessuna energia viene raccolta. Non solo guidano notevoli risparmi sui costi di gestione della batteria (la sostituzione è abbastanza costosa), ma crea la possibilità di una serie di nuove applicazioni in cui la sostituzione della batteria è impraticabile. Il mercato dei dispositivi di energy harvesting è destinato a crescere nei prossimi anni ad un CAGR del 17%. La tendenza attuale per un migliore ecosistema andrà a beneficio della crescita del mercato nel lungo periodo, rappresentando di fatto la soluzione del futuro di alimentazione per tutti i dispositivi IoT low-power, a cominciare dagli smartphone passando per l'elettronica indossabile.

 

 

Una risposta

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio 19 luglio 2016

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