L'energy harvesting è senza dubbio il futuro dell'alimentazione. Con la crescita della microelettronica e l'avvento di nuovi materiali, dovremmo aspettarci nuove soluzioni di raccolta di energia decisamente più efficienti, con l'obiettivo di costituire una fonte di alimentazione sempre più stand-alone.
La progettazione di sistemi elettronici che coinvolgono l'energy harvesting deve seguire protocolli di design ben stabiliti: scelta della sorgente e dei relativi sensori, design di circuiti di conditioning, dc-dc e circuiti di accoppiamento. L'autore del libro dal titolo "Microelectronic Circuit Design for Energy Harvesting Systems" ci conduce in questo meraviglioso paesaggio con una interessante intervista dove vengono affrontati diversi temi, nonché le tendenze attuali e le future previsioni dell'energy harvesting.
1. Quanto è importante la raccolta dell'energia o energy harvesting nell'IoT?
Negli ultimi anni si è posta molta attenzione sull'Internet delle cose (IoT), ovvero su una vasta gamma di dispositivi commerciali e industriali (IIoT) interconnessi tra loro con il protocollo wireless (e wired). Gli analisti stimano un numero crescente di dispositivi IoT, oltre 5 miliardi nei prossimi cinque anni. L'avvento di questi dispositivi pone un serio problema di alimentazione: le batterie devono essere acquistate, mantenute e smaltite. La tecnica di raccolta dell'energia è una soluzione semplice per ricaricare facilmente ed economicamente i dispositivi a bassa potenza, utilizzando contemporaneamente energia pulita. Un requisito fondamentale per l'IoT è la gestione energetica: i dispositivi mobile richiedono ovviamente batterie, ma la possibilità di sostituirli completamente o limitare la sostituzione / ricarica è un fattore di importanza notevole, dato anche l'avvento di ulteriori dispositivi collegati nel prossimo futuro. Al riguardo, le tecnologie per la raccolta dell'energia possono decisamente aiutare nel design utilizzando elementi di generazione elettrica come le celle solari, i sensori RF e gli elementi piezoelettrici e termoelettrici per la conversione della luce, calore, energia RF e vibrazione in una sorgente elettrica. Inoltre, quando si utilizza la raccolta di energia, c'è un punto da considerare: un equilibrio tra generazione e consumo di energia. Questo perché il dispositivo non funziona se la produzione di energia è inferiore alla potenza richiesta dal dispositivo.
2. Qual è il vantaggio dei microcontrollori nei sistemi di raccolta di energia?
I circuiti integrati per la gestione dell'alimentazione progettati per la raccolta di energia, così come microcontrollori (MCU) a bassa potenza, contribuiranno alla crescita dell'Internet delle cose. La raccolta dell'energia è un'opzione valida nell'IoT, ma non semplice, per una corretta gestione dei circuiti per la ricarica. Sebbene le caratteristiche degli elementi di produzione di energia stiano migliorando di anno in anno e la microelettronica continua la fase di una gestione energetica ultra-bassa, è difficile fornire costantemente energia sufficiente per un dispositivo, e la necessità di una tecnica di raccolta in una prima fase potrebbe aiutare. Il progresso dei microcontrollori a basso consumo apre decisamente la corsa verso l'obiettivo dell'efficienza energetica dei prodotti e delle applicazioni in cui una raccolta di energia solare, cinetica o termica può essere utilizzata per alimentare un dispositivo intelligente senza un'alimentazione elettrica esterna nei casi estremi, o limitare la sostituzione/ricarica della batteria. I microcontrollori hanno un ruolo fondamentale in tutti i dispositivi elettronici. Il miglioramento dei consumi e dei metodi di gestione dell'alimentazione è un fattore di progettazione importante per consentire una facile adozione della raccolta energetica.
3. Che ne pensi dei circuiti di conditioning per il powering dei microsistemi? Perché sono importanti? Quali sono le ipotesi errate più comuni fatte dai progettisti nell'ambito dell'energy harvesting?
I circuiti di condizionamento di potenza svolgono un ruolo essenziale in un sistema di raccolta energetica attraverso vari parametri (come l'impedenza d'ingresso), eseguendo contemporaneamente funzioni di elaborazione (come il controllo e il filtraggio). Le tecniche avanzate influenzano attivamente il comportamento dei dispositivi di raccolta (come il pre-biasing del piezo). Il limite di potenza di un sistema è stato considerevolmente ridotto con circuiti di condizionamento che operano a bassi livelli di potenza, riducendo le perdite e aumentando così la massima efficienza del sistema di raccolta. Gli alimentatori sono spesso intermittenti e i parametri di gestione possono cambiare nel tempo. Lo scopo del circuito di condizionamento è quello di evitare un design oversize, con un sistema di raccolta in grado di fornire una corrispondenza tra i profili temporali della produzione di energia e la relativa richiesta dalla sorgente di carico. La sfida è sempre di ottimizzare l'energia e i circuiti di condizionamento associati per affrontare un sistema in cui la corrispondenza tra i profili di potenza e le ore di funzionamento dinamico è in qualche modo ottimizzata.
4. Quali sono al giorno d'oggi le principali limitazioni dei sistemi di energy harvesting?
Una delle tante sfide per i progettisti è valutare il fattore energetico, e stabilire quindi il fabbisogno e progettare la sua relativa configurazione di potenza. Il requisito fondamentale dell'IoT è la gestione dell'alimentazione. In molti scenari di applicazione di dispositivi a basso consumo è difficile ottenere una modalità attiva e continua di energia, non solo in riferimento al carico da gestire ma anche in accordo alle situazioni ambientali (scarsa illuminazione). Allora, un metodo di accumulazione, anche di piccole dimensioni, è ancora necessario per assicurare il corretto funzionamento di un dispositivo. La recente tendenza è quella di sostituire le batterie ricaricabili con super-condensatori caratterizzati da "cicli illimitati" (> 100.000) di carica-scarica.
5. Quali sono le applicazioni di energy harvesting disponibili sul mercato?
La raccolta di energia utilizza l'energia ambientale per alimentare piccoli dispositivi elettronici come sensori wireless, microcontrollori e display. Esempi tipici di queste fonti ambientali sono la luce solare e qualsiasi sorgente artificiale come la vibrazione o il calore dei motori o del corpo umano. I trasduttori di energia corrispondenti sono le celle solari, i termogeneratori e i piezoelettrici che convertono l'energia di raccolta in una sorgente elettrica. Un primo campo di applicazione è l'automazione con interruttori autoalimentati. Ulteriori applicazioni sono i sistemi di monitoraggio per grandi impianti industriali o per il controllo strutturale di enormi edifici. Un altro mercato promettente è l'area consumer che mostra trasduttori di energia integrati sotto forma di celle solari o TEG o trasmettitori RF per ricaricare i prodotti corrispondenti quali telefoni cellulari o lettori audio. Le applicazioni delle tecniche di raccolta energetica nel settore ferroviario è un campo molto promettente. Sono stati condotti studi e sperimentazioni sul potenziale dei dispositivi di recupero energetico, allo scopo di fornire informazioni sulla potenza elettrica effettivamente generata dall'uso di trasduttori posti a bordo di vagoni ferroviari. Uno dei segmenti del mercato emergente nell'ambito dell'IoT è la categoria Wearable. Indipendentemente dall'applicazione, la maggior parte di questi dispositivi richiede una batteria come sorgente di alimentazione principale. La rapida espansione di questi dispositivi è destinata a rivoluzionare la tecnologia e le procedure attuali di design in tutte le aree, creando così nuove opportunità di mercato e nuovi modelli di business.
6. Quali sono le tecnologie più promettenti per la raccolta di energia? Che ne pensi della tecnologia di alimentazione RF wireless?
La radiazione solare ha il vantaggio di essere un'energia pulita senza la produzione di rifiuti inquinanti. I limiti che possono essere incontrati sono le discontinuità causate dall'alternanza di giorno e notte e dalle condizioni atmosferiche. Un altro è la bassa intensità, che implica la necessità di avere grandi aree di storage. Molte quantità di dispositivi di raccolta energetica sono attualmente vendute nell'industria dell'edilizia e nel mercato dei consumatori. Nel mercato dei consumatori le celle solari rappresentano la scelta principale, ma sono in arrivo altre soluzioni in termini di vibrazioni e sorgenti RF. Lo sviluppo dell'IoT promette di essere eccitante e avere un grande impatto economico dovuto allo sviluppo di dispositivi a semiconduttore e al progresso della tecnologia wireless, consentendo contemporaneamente di ottenere dispositivi più piccoli e più efficienti. Le sorgenti RF rappresentano una tecnica di raccolta per rimuovere definitivamente le batterie dagli smartphone e assicurare la ricarica automatica da fonti artificiali. La tecnologia di ricarica wireless ha dimostrato perfettamente come è possibile lavorare in questa direzione, ma questa volta è necessario considerare la possibilità di ottenere energia dall'ambiente grazie alle sorgenti artificiali presenti in grande quantità. Con l'avvento dell'IoT, siamo e saremo bombardati da molte fonti secondarie RF e quindi avremo più possibilità di ottenere sufficiente corrente elettrica dall'ambiente circostante. La raccolta dell'energia è sicuramente il futuro dell'alimentazione!
Figura 1: Maurizio Di Paolo Emilio, autore del libro "Microelectronic Circuit Design for Energy Harvesting Systems" durante il talk al Campus Party
Articolo e argomento molto interessanti. Sai se in commercio esistono dei kit con cui si possa eseguire delle sperimentazioni di energy harvesting (magari con Arduino, Raspberry, ESPertino)?
Qui trovi molti kit http://uk.farnell.com/c/development-boards-evaluation-tools/energy-harvesting-development-kits 😉 suggerirei quelli della Linear/Analog e TI
Complimenti Maurizio per il tuo nuovo libro. Ho sempre ammirato (e invidiato) chi pubblica per Springer.
Grazie Riccardo 🙂