Le tecnologie per l’energy harvesting si diffondono sempre di più

Nel passato, vari tipi di sensori venivano ordinariamente collegati agli alimentatori mediante cavi, mentre oggi, anziché dover far fronte al problema e al costo della posa di cavi in vari punti di un edificio o di un impianto, è possibile installare robusti e affidabili sensori wireless di qualità industriale in grado di funzionare per anni alimentati da una piccola batteria o anche accumulando l’energia generata da sorgenti che assicurino gradienti di luce, vibrazioni o temperatura. È possibile anche utilizzare la combinazione di una batteria ricaricabile e di più sorgenti di energia ambiente. Inoltre, a causa di problemi di sicurezza intrinseci, alcune batterie ricaricabili non possono essere caricate mediante cavi ma richiedono l’impiego di tecniche di trasferimento wireless della potenza.

Le tecnologie per l’energy harvesting avanzate e immediatamente disponibili, ad esempio in trasduttori piezoelettrici che sfruttano l’energia generata da vibrazioni e in celle fotovoltaiche per locali chiusi, producono livelli di potenza dell’ordine dei milliwatt in condizioni di funzionamento tipiche. Sebbene questi livelli di potenza possano inizialmente apparire limitativi, il funzionamento di elementi di energy harvesting nel corso di vari anni può far sì che le tecnologie siano in gran parte comparabili con batterie principali di lunga durata, sia per quanto riguarda l’erogazione di energia che in termini del costo unitario di energia fornita. Inoltre, i sistemi che incorporano soluzioni per l’energy harvesting in genere sono in grado di ricaricarsi quando la carica si esaurisce, un vantaggio che manca nei sistemi alimentati da batterie principali. Quindi, il costo aggiuntivo dell’utilizzo di un sistema per l’energy harvesting allo scopo di alimentare un sensore può essere compensato dal ridotto costo di manutenzione, poiché sarà necessario sostituire le batterie principali ogni 7 – 10 anni circa.

Superare le barriere

I sistemi di sensori, sia wireless che cablati, spesso sono presenti in ambienti ricchi di energia naturale, ideali per alimentare i sensori stessi. Oggi, è un’idea generalmente accettata che l’energy harvesting può prolungare notevolmente la durata di batterie installate, specialmente quando i requisiti di alimentazione sono bassi, riducendo sia i tempi di fermo che i costi di manutenzione a lungo termine. Nonostante questi vantaggi, esistono ancora vari ostacoli all’adozione di queste tecnologie; quello più grave è che le fonti di energia ambientale sono spesso intermittenti oppure sono insufficienti per alimentare continuamente il sistema di sensori, mentre l’alimentazione ottenuta con batterie principali è estremamente affidabile per l’intera durata nominale delle batterie. Quindi, alcuni progettisti di sistemi potrebbero essere riluttanti all’aggiornamento dei loro sistemi ai fini dell’energy harvesting di fonti ambientali, specialmente quando una perfetta integrazione è fondamentale.

Ciò nonostante, nella maggior parte delle implementazioni si impiega una sorgente di energia ambiente come generatore di energia principale, ma integrandola con una batteria che può essere inserita se tale sorgente non è più disponibile o viene interrotta. Questa batteria può essere ricaricabile o monouso e la scelta normalmente dipende dall’applicazione finale. Ne consegue che se l’installazione finale consente un accesso agevole per sostituire una batteria non ricaricabile e questa operazione può essere eseguita velocemente e a un costo contenuto dagli addetti alla manutenzione, tale soluzione è economicamente conveniente. Se invece sostituire la batteria è scomodo e costoso, dal punto di vista economico è più conveniente l’utilizzo di una batteria ricaricabile.

Anche se si seleziona una batteria ricaricabile, rimane aperta la questione di quale sia il metodo ottimale di ricarica. Alcuni dei fattori che influiscono su tale decisione sono:

1) È disponibile una sorgente di energia cablata per caricare la batteria?
2) È disponibile potenza sufficiente dalle sorgenti di energia ambiente per alimentare la rete di sensori wireless (WSN, wireless sensor network) e inoltre caricare la batteria?
3) È necessario un trasferimento di potenza wireless per caricare la batteria a causa di requisiti di sicurezza intrinseci dovuti alla natura pericolosa della sua installazione?

Indipendentemente dalla soluzione richiesta dalla specifica implementazione del processo di energy harvesting, sono disponibili molti circuiti integrati che risolvono il problema di assicurare al progettista del sistema le caratteristiche prestazionali necessarie per soddisfarne semplicemente e agevolmente le necessità.

Soluzioni semplici ed efficaci

L’LTC3107 di Linear Technology è un convertitore CC/CC a elevato livello di integrazione, progettato per prolungare la durata di una batteria principale in sistemi wireless a bassa potenza, sfruttando il processo di energy harvesting e gestendo il surplus di energia disponibile [...]

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2 Commenti

  1. Emanuele Bonanni Emanuele 12 novembre 2015
  2. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio 12 novembre 2015

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