Design di soluzioni per l’energy harvesting

Sempre più applicazioni richiedono che l’elettronica possa continuare a funzionare dove sorgenti di alimentazione convenzionali non sono disponibili o non durano per un tempo prolungato. Basti pensare a tutte quelle applicazioni dove non è possibile andare a sostituire o ricaricare batterie, oppure dove non è disponibile una fonte di alimentazione. Per questi semplici motivi, la tematica dell’utilizzo delle fonti di energia non convenzionali è sempre più al centro dell’attenzione dei progettisti elettronici e dei produttori di componentistica. In questo articolo, affronteremo dunque gli aspetti cruciali del design di soluzioni di energy harvesting introducendo le principali fonti di energia, le tecnologie di conversione e stoccaggio, e le innovazioni ingegneristiche che rendono possibile questa trasformazione. Introdurremo inoltre anche alcune soluzioni tecnologiche disponibili sul mercato a supporto dei progettisti.

Introduzione

La raccolta di energia rappresenta un campo emergente dell'ingegneria, sfruttando fonti di energia non convenzionali per alimentare i circuiti elettrici. Questa tecnologia promette di rivoluzionare il modo in cui alimentiamo i dispositivi, specialmente in contesti dove l'accesso a fonti di energia tradizionali è limitato. Analizzeremo qui le principali fonti di energia, le tecnologie di conversione e stoccaggio, e le innovazioni ingegneristiche che rendono possibile questa trasformazione.

Tra le principali fonti di energia non convenzionale troviamo sicuramente (Figura 1):

Luce Solare - Le celle fotovoltaiche (PV) sono il metodo più comune per catturare l'energia solare e convertirla in elettricità. La tecnologia dei pannelli solari ha fatto passi da gigante, con miglioramenti significativi nell'efficienza di conversione energetica e nella flessibilità dei materiali. Recenti sviluppi includono celle solari a perovskite, che promettono maggiore efficienza e costi ridotti rispetto alle tradizionali celle in silicio.
Vibrazioni e Pressioni - Gli elementi piezoelettrici sfruttano la proprietà di alcuni materiali di generare una carica elettrica quando sottoposti a pressione o vibrazioni meccaniche. Questa tecnologia è particolarmente utile in applicazioni come la sensoristica industriale, dove le vibrazioni di macchinari possono essere convertite in energia utilizzabile. I materiali piezoelettrici avanzati, come il PZT (piombo zirconato titanato), offrono alta efficienza di conversione e durabilità.
Differenziali di Temperatura - I generatori termoelettrici (TEG) utilizzano il principio dell'effetto Seebeck per convertire le differenze di temperatura in energia elettrica. Questi dispositivi sono ideali per ambienti industriali o per l'elettronica indossabile, dove possono sfruttare il calore corporeo. Recenti innovazioni includono materiali termoelettrici con maggiore efficienza e flessibilità, come i composti basati su tellururo di bismuto.
Energia Radio (RF) - L'energia radiofrequenza (RF) può essere raccolta da segnali wireless presenti nell'ambiente, come quelli emessi da router Wi-Fi o torri di telecomunicazione. I circuiti di raccolta RF includono antenne speciali e raddrizzatori a diodi che convertono i segnali RF in corrente continua. Questa tecnologia è particolarmente promettente per alimentare sensori IoT a bassa potenza.
Energia Biochimica - Un'area emergente e altamente innovativa è la raccolta di energia biochimica. Ad esempio, le celle a biocarburante possono estrarre energia dagli zuccheri nel sangue, offrendo soluzioni potenziali per dispositivi medici impiantabili. Questa tecnologia sfrutta enzimi biochimici per catalizzare reazioni che producono elettricità, offrendo una fonte di energia continua e biocompatibile.

Figura 1: Fonti di energia non convenzionale

La gestione dell'energia

Per un corretto design, il progetto non deve concentrarsi solamente sulla natura della fonte non convenzionale ma anche sugli elementi che ne gestiscono tutto il processo al fine di ottenere un sistema di alimentazione affidabile e robusto. Dunque, ritroviamo sicuramente due aspetti fondamentali per la corretta progettazione:

Conversione di energia - I circuiti di gestione dell'alimentazione sono progettati per ottimizzare la conversione dell'energia raccolta, minimizzando le perdite e garantendo un flusso stabile di elettricità. Tecnologie avanzate, come i regolatori di tensione e i convertitori DC-DC, sono essenziali per gestire l'energia derivata da fonti variabili e intermittenti.
Stoccaggio di energia - L'energia raccolta viene tipicamente immagazzinata in dispositivi come condensatori, supercondensatori o celle a microenergia (MEC). I condensatori e i supercondensatori offrono alta densità di potenza e cicli di vita lunghi, ideali per applicazioni che richiedono scariche rapide e frequenti. Le MEC, che sono forme di batterie allo stato solido al litio, offrono alta densità energetica e stabilità, rendendole adatte per applicazioni che necessitano di un'erogazione di energia costante e duratura.

Componenti e soluzioni sul mercato

Nell'ultimo decennio, i diversi produttori di componentistica a semiconduttore si sono sempre più concentrati sullo sviluppo di soluzioni ad hoc per catturare, gestire e stoccare l'energia proveniente da fonti non convenzionali. Infatti, abbiamo osservato l'introduzione di oggetti dedicati all'energy harvesting supportati anche dalla continua ricerca in ambito universitario e scientifico.

Alcuni oggetti di interesse che introdurremmo di seguito sono:

Le Microcelle di energia (MEC)
Il PMIC NEH2000BY per celle fotovoltaiche di Nexperia
Il PMIC MAX17710 di Maxim Integrated
Il System-on-Chip RSL10 di On Semiconductor

Microcelle di energia (MEC)

La THINERGY® MEC202 ha rappresentato un passo evolutivo significativo nel campo della raccolta e dell'immagazzinamento dell'energia, grazie alla sua struttura flessibile, ricaricabile ed a film sottile. Questo dispositivo offre prestazioni superiori rispetto alle altre tecnologie di accumulo di energia elettrochimica a piccolo fattore di forma, come i supercondensatori, le batterie stampate e le altre batterie a film sottile. Inoltre, le caratteristiche tecniche e le innovazioni ingegneristiche hanno reso questo prodotto una soluzione eccezionale per le applicazioni di energy harvesting.

La MEC202 è fabbricata su un substrato di foglio metallico, il che le conferisce flessibilità e un profilo sottile. La cella utilizza un catodo di Ossido di Cobalto di Litio (LiCoO2) e un anodo di litio metallico. L'elettrolita solido è costituito da LiPON (Lithium Phosphorus Oxynitride), noto per la sua alta conducibilità ionica e per la bassissima conducibilità elettronica, che riduce al minimo l'autoscarica. Questo rende la MEC ideale per applicazioni che richiedono una conservazione affidabile dell'energia per molti anni, senza la necessità di ricarica frequente.

Il componente è progettato per massimizzare l'area attiva della cella, minimizzando al contempo l'ingombro del dispositivo. Le linguette nichelate, situate lungo il bordo superiore della cella, permettono una facile saldatura su circuiti stampati (PCB) e offrono diverse opzioni di connessione, tra cui resine epossidiche, materiali a film conduttivo anisotropo (ACF) e saldature. Le linguette possono essere connesse su entrambi i lati della cella, facilitando l'assemblaggio automatizzato su circuiti flessibili e PCB.

Un altro aspetto fondamentale è la capacità di essere ricaricata rapidamente utilizzando vari metodi, inclusi corrente costante, tensione costante, corrente pulsata o tensione pulsata. Non richiede monitoraggio della temperatura durante la carica né algoritmi di carica complicati come il CC/CV (corrente costante/tensione costante) tipici delle batterie agli ioni di litio convenzionali. Una carica a tensione costante superiore alla tensione della cella, ma inferiore alla tensione massima specificata, garantisce una carica rapida e sicura.

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