Energia verde per tutti

Il tema della Green Energy è di estrema attualità: nonostante fino ad ora il recupero dell’energia ambientale sia stato effettuato solo tramite pannelli fotovoltaici o pale eoliche, esistono molte altre fonti da utilizzare.

Il mondo è pieno di energia ambientale e finora il recupero energetico è avvenuto mediante pannelli solari e turbine eoliche. Ma oggi nuovi strumenti ci consentono di produrre energia da una vasta gamma di fonti ambientali. Inoltre, la cosa importante non è l’efficienza di conversione dei circuiti, ma la quantità di energia “recuperata media” disponibile. Ad esempio, i generatori termoelettrici convertono il calore in elettricità, gli elementi piezoelettrici convertono le vibrazioni meccaniche, le celle fotovoltaiche convertono la luce solare (o qualsiasi fonte di fotoni) e i dispositivi galvanici producono energia dall’umidità. In questo modo è possibile alimentare sensori remoti o caricare un dispositivo di accumulo, come un condensatore o una batteria a film sottile, e in seguito alimentare un microprocessore o un trasmettitore da un punto remoto senza una fonte di alimentazione locale. Questo, a sua volta, offre ai prodotti a recupero energetico di Linear Technology (Analog Devices) l’occasione di essere usati come potenziali soluzioni. La Tabella 1 contiene la nostra gamma di prodotti per questo settore.

Tabella 1: Soluzioni IC di Linear Technology per applicazioni a energia rinnovabile

Tabella 1: Soluzioni IC di Linear Technology (Analog Devices) per applicazioni a energia rinnovabile

Ognuno dei prodotti elencati nella Tabella 1 ha caratteristiche specifiche e criteri di prestazione che lo rendono la soluzione ottimale a seconda del tipo di energia ambientale. In termini generali, tra queste caratteristiche figurano: correnti di riposo basse, normalmente inferiori a 6 μA e fino a 450 nA, tensioni di avviamento basse, pari a 20 mV, elevata tensione di ingresso, fino a 34 V continua e 40 V transitoria, capacità di gestire ingressi AC, uscite multiple e gestione dell’alimentazione del sistema autonoma, autopolarità Maximum Power Point Control (MPPC) per ingressi da pannelli solari, capacità di recuperare energia da differenziali di temperatura di appena 1°C, soluzione compatta con numero minimo di componenti esterni.

FORZE DI MERCATO CHE GUIDANO LA CRESCITA

Le direttive in materia di energia, l’aumento dei costi di esercizio e un movimento "verde" in crescita influiscono sull’adozione di WSN per applicazioni di recupero energetico. Se in passato i prodotti WSN (macchine industriali, agricoltura, monitoraggio strutturale) hanno causato una frammentazione del mercato, oggi le aziende di tutti i settori lavorano per uniformare le reti di sensori con una piattaforma basata su IP con l’obiettivo di semplificare lo sviluppo, attirare nuovi soggetti e promuovere l’innovazione.

Nota: la sigla WSN (Wireless Sensor Network) può indicare uno o più nodi di sensori wireless, implica cioè l’esistenza di configurazioni singole o multiple, a seconda del relativo contesto d’uso. La WSN è una tecnologia dirompente, in grado di garantire una riduzione dei costi di installazione fino all’80% e supporto a una vasta gamma di applicazioni che non potrebbero essere realizzate usando i cavi e grazie alle quali gli edifici sono più ecologici e “intelligenti”. Installando sensori praticamente ovunque, gli edifici di qualsiasi dimensione possono ottimizzare il consumo di energia, migliorare la sicurezza e ridurre le spese di esercizio. È interessante notare che, all’interno degli edifici, due terzi degli attuali impianti WSN sono costituiti da sistemi HVAC, seguiti dai sistemi di illuminazione e di controllo degli accessi. Si prevede che nei prossimi cinque anni verranno installati 15 milioni di nodi di sensori wireless (fonte: ON World Inc.) che dovranno essere alimentati a batteria, con energia ambientale o una combinazione di entrambi i tipi. Siamo convinti che i prodotti in grado di soddisfare esigenze specifiche in termini di energia rinnovabile o recupero di energia avranno a disposizione un vasto mercato. Per questo Linear Technology (Analog Devices) ha dedicato tempo e risorse alla creazione di prodotti specifici, dotati delle caratteristiche giuste, che consentono di ottenere soluzioni pratiche ed economiche.

POSSIBILITÀ OFFERTE DALL’ENERGIA VERDE

Per i prodotti orientati verso l’energia verde o il recupero energetico sono previste possibilità di crescita ben oltre il 2020. I costi energetici, i problemi ambientali e la necessità di estendere la durata delle batterie dei dispositivi mobili hanno fatto sì che l’ottimizzazione dell’energia diventasse un aspetto fondamentale per una vasta gamma di applicazioni. I nostri prodotti a basso consumo consentono ai clienti di convertire l’energia con maggiore efficienza, di abbassare i livelli dei consumi e di estendere la durata della batteria. Più i consumatori cercano modi per ridurre il consumo di energia e trascorrere più tempo all’aperto, più il mercato dei dispositivi elettronici a energia solare continua a crescere. Ma essendo l’energia solare variabile e inaffidabile, quasi tutti i dispositivi con questo tipo di alimentazione sono dotati di batterie ricaricabili.

L’obiettivo consiste nell’estrarre la maggior quantità possibile di energia solare per caricare velocemente le batterie e mantenere lo stato di carica. Le celle solari sono dispositivi intrinsecamente inefficienti, ma hanno un punto di massima potenza di uscita ed è naturale che operare in tale punto diventi un obiettivo di progettazione. Il problema è che la caratteristica V/I della massima potenza di uscita varia con l’illuminazione. La corrente di uscita di una cella solare monocristallina è proporzionale all’intensità della luce, mentre la sua tensione alla massima potenza di uscita è relativamente costante. La massima potenza di uscita per una data intensità della luce si verifica in corrispondenza del ginocchio di ogni curva, nel punto in cui la cella passa da un dispositivo a tensione costante a un dispositivo a corrente costante. Pertanto, il progetto di un caricatore che estrae in modo efficiente l’energia da un pannello solare deve essere in grado di dirigere la tensione di uscita del pannello verso il punto di massima potenza quando i livelli di illuminazione non riescono a soddisfare i requisiti energetici del caricatore.

Energia verde non significa solo generare energia mediante tecniche di recupero, ma anche usarne meno per eseguire la stessa funzione. Un settore in cui questo ha già un notevole impatto è quello della gestione del sistema di alimentazione digitale. Un’alimentazione digitale corretta può ridurre il consumo dei centri di elaborazione dati, diminuire il time-to-market, avere un’ottima stabilità e un’eccellente risposta ai transienti e aumentare l’affidabilità generale del sistema (ad esempio nei dispositivi di networking). I progettisti di apparecchiature di networking vengono spinti ad aumentare la velocità di trasmissione dati e le prestazioni dei loro sistemi, ad aggiungere nuove funzionalità e caratteristiche e, allo stesso tempo, a ridurre il consumo energetico dei sistemi. La sfida dei centri di elaborazione consiste nel ridurre il consumo energetico totale riprogrammando il flusso di lavoro e spostando il lavoro su server sotto-utilizzati, consentendo lo spegnimento di altri server. Per soddisfare queste esigenze è essenziale conoscere il consumo di energia delle apparecchiature dell’utente finale. Un sistema di gestione dell’alimentazione digitale ben progettato può fornire all’utente i dati relativi ai consumi, consentendogli di prendere decisioni oculate in materia di gestione dell’energia. Un altro importante vantaggio offerto dalla gestione dei sistemi di alimentazione digitale è la riduzione dei costi di progettazione e un time-to-market più veloce. Per sviluppare sistemi multi-rail complessi in modo efficiente si può usare un ambiente di sviluppo completo, dotato di un’interfaccia grafica utente (GUI) intuitiva. Questi sistemi, inoltre, semplificano l’in-circuit testing (ICT) e il board debug, consentendo l’esecuzione di modifiche mediante la GUI invece che con saldature di “fili bianchi”.

Un altro vantaggio è la possibilità di prevedere guasti al sistema di alimentazione e adottare misure preventive, grazie alla disponibilità di dati di telemetria in tempo reale. Ma la cosa forse più importante è che i convertitori DC/DC dotati della funzione di gestione digitale consentono ai progettisti di sviluppare sistemi di alimentazione “verdi” in grado di raggiungere le prestazioni previste (velocità di elaborazione, velocità di trasmissione dati, etc.) usando una quantità minima di energia nel punto di carico, sulla scheda, sul rack e perfino ai livelli di installazione, con conseguente riduzione dei costi dell’infrastruttura e dei costi di gestione totali per tutto il ciclo di vita del prodotto. L’LTC3880 di Linear Technology (Analog Devices) è un controller in modalità di corrente DC/DC step-down sincrono a due uscite, dotato di FET gate driver integrati e funzioni complete di gestione dell’alimentazione a cui si accede tramite una PMBus basata su I2C. Il riferimento di precisione e il loop di controllo in modalità di corrente analogico con compensazione della temperatura offrono una precisione DC di ±0.5%, una semplice compensazione calibrata in modo da essere indipendente dalle condizioni operative, limite di corrente "cycle-by-cycle" e condivisione della corrente, e risposta ai transienti sul carico e delle linee rapide e precise, senza nessuno degli errori di quantizzazione degli ADC individuabili in alcuni prodotti che utilizzano il controllo “digitale”. L’LTC3880 integra un sistema di acquisizione dati a 16 bit che fornisce letture digitali delle tensioni e delle correnti in entrata e in uscita, del duty cycle e della temperatura. È prevista anche la funzione di registrazione degli errori mediante un flag di interrupt e una “scatola nera” che rileva le condizioni operative del convertitore poco prima di un guasto. Lo sviluppo dei sistemi multi-rail è facilitato dall’apposito software LTpowerPlay™ di LCT e dalla GUI.

QUANTA ENERGIA C’È?

Le tecnologie di recupero energetico innovative e disponibili sul mercato (es. recupero di energia dalle vibrazioni o celle fotovoltaiche da interno) forniscono livelli di energia nell’ordine dei milliwatt in condizioni operative normali. Questi livelli possono sembrare riduttivi, ma il funzionamento di accumulatori nell’arco di un certo numero di anni sta ad indicare che tali tecnologie sono perfettamente paragonabili a batterie primarie di lunga durata, sia in termini di erogazione di energia che di costi per unità energetica fornita. Inoltre, i sistemi che prevedono il recupero energetico sono in grado di ricaricarsi, cosa che i sistemi alimentati con batterie primarie non possono fare. Tra le fonti di energia ambientale figurano la luce, i differenziali termici, i fasci di vibrazione, i segnali RF trasmessi e qualsiasi altra fonte in grado di produrre una carica elettrica mediante un trasduttore. La Tabella 2 illustra la quantità di energia che le varie fonti possono produrre. Questi livelli di energia possono essere utilizzati per numerose applicazioni.

Tabella 2: fonti di energia e quantità di energia prodotta.

Tabella 2: fonti di energia e quantità di energia prodotta

Di seguito alcuni esempi:

  • sensori di corrosione per aeromobili;
  • finestrini con auto-dimming;
  • monitor per ponti;
  • automazione degli edifici;
  • contatori di elettricità;
  • rilevatori di gas;
  • monitor medicali;
  • controlli HVAC;
  • interruttori della luce;
  • monitor condutture remoti;
  • orologi;
  • contatori dell’acqua;

Conclusioni

Il recupero energetico e le energie alternative offrono moltissime possibilità di impiego. Un ottimo esempio è rappresentato dal mercato dei dispositivi elettronici a energia solare che continua a crescere, mentre le società sono sempre alla ricerca di nuovi metodi per ridurre i consumi. Prendiamo, ad esempio, i contatori intelligenti che vengono utilizzati nelle smart grid e potrebbero essere alimentati da una fonte di energia ambientale in modo da ridurre i costi di esercizio. Una di queste fonti, l’energia solare, è disponibile e abbondante, ma è anche variabile e inaffidabile, per questo quasi tutti i dispositivi a energia solare sono dotati di batterie ricaricabili. Un obiettivo importante è estrarre la maggior quantità possibile di energia solare per caricare velocemente tali batterie e mantenere lo stato di carica da sfruttare quando l’energia solare non è disponibile. Se, invece, i contatori intelligenti usassero le batterie come fonti di alimentazione primarie, la conversione di potenza e l’elettronica di gestione dovrebbero avere correnti di riposo bassissime nella modalità di standby in modo da estendere la durata delle batterie. Fortunatamente Linear Technology (Analog Devices) offre una vasta gamma di IC che hanno correnti di riposo inferiori a 25 uA.

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