Tecniche di energy harvesting: dalla termica alla RF

L’energia è la capacità di compiere lavoro, quest’ultimo derivante dall’azione di una forza come quella di gravità. In natura possono essere trovate varie forme di energia: quella solare è l’aspetto più interessante ma soprattutto più diffuso, ma anche l’energia termica e meccanica rappresentano dei buoni candidati per l’energy harvesting. L’universo invia sulla terra una notevole quantità di energia sotto forma di raggi cosmici, onde gravitazionali, onde elettromagnetiche e così via che in qualche modo potrebbero contribuire ad alimentare dispositivi low power. In questo articolo faremo una panoramica sulle tecniche di energy harvesting analizzando il comportamento fisico di alcune forme di energia come quella RF e termica con alcune considerazioni sugli aspetti progettuali.  

Introduzione

In accordo alle leggi di conservazione, l’energia totale di un sistema si conserva, con la possibilità di trasformarsi da una forma all’altra. Un esempio classico è rappresentato dalla collisione di due palle di biliardo con il conseguente “suono energetico” e calore sviluppato nel punto di contatto. Il suono in questo caso è un processo derivante dalla vibrazione delle molecole d’aria circostanti; tale vibrazione è esprimibile matematicamente come un’onda ma all’orecchio umano appare come un suono la cui intensità è legata alla forza d’urto. L’energia quindi può essere convertita da una forma ad un’altra, prendiamo una batteria: essa genera elettricità a partire da un set di reazioni chimiche, oppure un’automobile e tanti altri esempi. Il lavoro è una forza per spostamento, esprimibile come la seguente equazione:

eq1

Ovvero l’integrale di linea di una forza lungo un percorso a-b. Il lavoro è esprimibile talvolta attraverso le equazioni del moto scritte in termini di hamiltoniana. Così come il formalismo di Lagrange che esprime l’energia cinetica del sistema meno quella potenziale.  L’energia rinnovabile può racchiudere tutta quell’energia derivante da fonti naturali, come il sole e il vento, ma anche il calore geotermico e così via, affinché tutto questo possa contribuire a ridurre le emissioni CO2 e dare un notevole impatto positivo all’ambiente. L’obiettivo dell’energy harvesting è catturare non solo queste energie ma anche altre racchiuse nei comportamenti umani come la vibrazione, gradiente termico e tutta una serie di energie che si disperdono nell’ambiente.  Le varie forme di raccolta sono di bassa energia e si presentano come dei buoni candidati per alimentatori in dispositivi wearable.  In tabella 1 alcuni valori di potenza per unità di superficie per una serie di soluzioni di energy harvesting.

Energia Categoria Potenza/cm2
Umano Vibration/Motion 4 μW/cm2
Industria Vibration/Motion 100 μW/cm2
Umano Termica  25 μW/cm2
Outdoor Light  10 mW/cm2
3G/4G/GSM RF  0.1 μW/cm2
Wi-Fi RF  1 μW/cm2

Tabella 1: Valori di potenza per unità di superficie (cm2) per un insieme di soluzioni per l'energy harvesting

In un sistema di energy harvesting, la tensione prodotta dovrà necessariamente essere costante al fine di alimentare un dispositivo. E’ molto importante avere un’energia costante nel tempo e in questo caso un sistema di storage può essere di aiuto per coprire gli intervalli di tempo dove vi è una mancanza di energia sufficiente ad alimentare il dispositivo.  Un elemento di immagazzinamento di energia non è necessario se il consumo del [...]

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3 Commenti

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio 10 novembre 2016
  2. alessio31183 11 novembre 2016
    • Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio 12 novembre 2016

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