Sono certo che molti di noi ricordano la canzone dei Dire Straits che fa: "Money for nothing and …" ma quanti avrebbero pensato che un giorno queste parole sarebbero state applicate all’energy harvesting? Il concetto esprime qualcosa che arriva dal niente e la disponibilità di potenza gratis. Vediamo come.
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Si potrebbe pensare che è un pò forzata, ma rimane il fatto che l’energy harvesting ha a che fare con il riutilizzo dell’energia come prodotto collaterale di un’altra azione, e con il suo impiego per alimentare un nodo di sensori wireless autonomo (Wireless Sensor Node, WSN). Per chi ha scarsa familiarità con i WSN, spiego che si tratta sostanzialmente di un sistema indipendente composto da un certo tipo di trasduttori per convertire una fonte di energia ambientale in un segnale elettrico, in genere seguito da un convertitore DC/DC e da un dispositivo di gestione per alimentare i sistemi elettronici a valle con il corretto livello di tensione e corrente.
I sistemi a valle sono un microcontroller, un sensore e un transceiver. Quando si cerca di implementare uno o più WSN, è opportuno considerare il seguente aspetto: quanta corrente serve per farlo funzionare? Concettualmente la domanda sembrerebbe piuttosto semplice; tuttavia, in realtà risulta un pò più complessa per una serie di fattori. Ad esempio, con che frequenza deve essere effettuata la lettura? Oppure, ancora più importante, quale sarà la dimensione del pacchetto dati e a che distanza deve essere trasmesso? Questo dipende dal fatto che il transceiver consuma circa il 50% dell’energia utilizzata dal sistema per una singola lettura. Sono diversi i fattori che incidono sul consumo di potenza caratteristico di un sistema di energy harvesting di un WSN. Questi sono riepilogati nella Tabella 1.
Tabella 1. Fattori che influenzano il consumo energetico di un WSN
Naturalmente, l’energia fornita dalla fonte di energy harvesting dipende dal tempo in cui la fonte è in funzione. Quindi, il primo dato per un confronto delle fonti pulite è la densità della potenza, non la densità dell’energia. L’energy harvesting è in genere soggetto a livelli bassi, variabili e imprevedibili di potenza disponibile, così, spesso, si utilizza una struttura ibrida che si interfaccia con l’harvester e un serbatoio di potenza secondario. L’harvester, per via dell’illimitata provvista di energia e della scarsità di potenza, è la fonte energetica del sistema. Il serbatoio di potenza secondario, che si tratti di batteria o condensatore, produce una potenza in uscita superiore, ma accumula meno energia, fornendo potenza quando richiesto, altrimenti ricevendo regolarmente la carica dall’harvester. Così, in situazioni nelle quali non c’è energia ambiente da cui ricavare potenza, il serbatoio secondario deve essere utilizzato per alimentare il WSN.
Naturalmente, dal punto di vista del progettista, questo aspetto aggiunge ulteriore complessità in quanto è necessario tenere in considerazione la quantità di energia che deve essere immagazzinata nel serbatoio secondario per compensare la mancanza di una fonte energetica ambientale. Quanta ne occorre dipende da vari fattori, inclusi: tempo in cui la fonte di energia ambientale è assente, duty cycle del WSN (ovvero la frequenza con cui deve essere eseguita la lettura e la trasmissione dei dati), dimensioni e tipo del serbatoio secondario (condensatore, supercondensatore o batteria). L’energia ambientale disponibile è sufficiente per servire come fonte primaria e ne rimane abbastanza per caricare un secondo serbatoio quando la fonte non è disponibile per un periodo di tempo specificato? Le tecnologie di energy harvesting predefinite e allo stato dell’arte, per esempio l’energy harvesting da vibrazioni e i sistemi fotovoltaici indoor, producono livelli di potenza nell’ordine dei milliwatt in condizioni operative tipiche. Se, da un lato, questi livelli di potenza possono sembrare restrittivi, il funzionamento di elementi di harvesting negli anni può indicare che le tecnologie sono ampiamente comparabili alle batterie a lunga durata primarie, sia in termini di approvvigionamento dell’energia che di costo per unità energetica.
Figura 2.
Inoltre, i sistemi che integrano l’energy harvesting, in genere, saranno capaci di ricaricarsi dopo l’esaurimento, cosa che i sistemi alimentati con batterie primarie non possono fare. Le fonti di energia ambientali includono luce, riscaldamento, raggi vibranti, segnali RF trasmessi o semplicemente qualsiasi altra fonte in grado di produrre una carica elettrica attraverso un trasduttore. La Tabella 2 seguente illustra la quantità di energia che può essere generata da varie fonti.
Tabella 2. Fonti energetiche e quantità di energia prodotta
La corretta progettazione di un sistema di sensori wireless completamente indipendente richiede microcontroller e trasduttori a risparmio energetico prontamente disponibili che consumano una quantità di energia elettrica minima da ambienti a bassa energia. Fortunatamente, i sensori e i microcontroller a basso costo ed a bassa potenza sono sul mercato; tuttavia, solo di recente sono commercialmente disponibili transceiver a bassissima potenza. Data la scarsità a livello mondiale di esperienza nella progettazione di alimentatori analogici in modalità di commutazione, è stato difficile progettare un sistema di energy harvesting efficace. L’ostacolo principale sono stati gli aspetti di power management associati al rilevamento wireless remoto.
Aziende come Linear Technology (Analog Devices) hanno, tuttavia, introdotto un'ampia gamma di circuiti integrati per l’energy harvesting che semplificano la conversione della potenza e gli aspetti di gestione del sistema di un progetto WSN. Questi dispositivi possono estrarre energia quasi da ogni fonte di luce, calore o vibrazione meccanica. Inoltre, grazie al set completo di funzionalità e alla facilità di progettazione, semplificano molto gli aspetti complessi della conversione della potenza di una catena di energy harvesting. Questa è una buona notizia per i progettisti di sistemi WSN, in quanto l’elevata integrazione, incluso il controllo del power management, e i componenti esterni predefiniti, fanno di questi sistemi la soluzione più compatta, semplice e facile da utilizzare oggi disponibile. In conclusione, sebbene sia possibile ottenere potenza gratis da numerose fonti di energia ambientali, i progettisti e i pianificatori dei sistemi devono definire sin dall’inizio le priorità dei requisiti specifici delle soluzioni di power management per garantire progetti efficienti e implementazioni efficaci a lungo termine.
Figura 3.
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