Raccolta di energia in radiofrequenza: che fine ha fatto la rectenna?

Simbolo RFID

La raccolta di energia proveniente da fonti alternative può avvenire sfruttando diversi tipi di sorgenti quali l’energia termica, chimica, solare, etc. di cui sicuramente avrete sentito parlare più di una volta. Se è possibile convertire e immagazzinare l’energia elettrica proveniente da queste fonti libere presenti nell’ambiente, sarà possibile farlo anche con le onde elettromagnetiche? La risposta è sì. 
In questo articolo ci occuperemo di rispondere alla domanda “in che modo?”. Partiremo dai principi di base che governano le tecnologie utilizzate per convertire le onde elettromagnetiche in corrente elettrica e, nello specifico, vedremo come è possibile farlo sfruttando le radiofrequenze; analizzeremo il progetto della Rectenna, ideato nel 1964 dall’ingegnere elettrico William C. Brown. Oltre che il suo funzionamento, illustreremo anche la sua principale (e più recente) applicazione nelle etichette RFID, il suo possibile utilizzo nel progetto della Centrale Solare Orbitale e le nuove ricerche riguardo la rectenna ottica.

INTRODUZIONE

Nel campo delle energie rinnovabili intervengono più tipi di strategie di conversione e raccolta di energia, tra queste troviamo l'energy harvesting, cioè l'insieme dei processi che permette di immagazzinare l'energia liberamente dispersa nell'ambiente (convertendola in energia elettrica) indipendentemente dalla sua sorgente, che può essere di origine meccanica, termica, fotovoltaica, elettromagnetica, etc. Il concetto di "intercettare" in qualche modo delle fonti di energia per convertirle in corrente elettrica è molto allettante, perché porta alla risoluzione di alcuni problemi legati all'alimentazione di quei sistemi elettronici che non hanno la possibilità di essere collegati a una rete, o che non possono essere alimentati con una batteria oppure per sistemi che richiedono alimentazione solo quando sono presenti nell'ambiente. Possiamo pensare come esempio a una rete WSN (Wireless Sensor Network), cioè a una rete di sensori che deve essere in grado di effettuare misure e trasmettere in rete, in questo caso l'autonomia a livello energetico è fondamentale. Una volta convertita, che fine fa l'energia? Esistono due tipi di modalità di utilizzo, la prima prevede che l'energia convertita venga utilizzata direttamente dal carico (modalità one shot), la seconda coinvolge l'utilizzo di una batteria per immagazzinarla.

Arrivati a questo punto possiamo entrare nel vivo del discorso e chiederci: in che modo si possono utilizzare le onde elettromagnetiche per produrre energia elettrica?

Prima di rispondere a questa domanda bisogna fare una considerazione riguardo allo spettro elettromagnetico. Nel contesto di questo articolo faremo spesso riferimento sia alle onde radio che alle microonde e questi due termini saranno praticamente intercambiabili da qui in poi, e ora spiegherò il perché. Come è noto le onde radio vengono definite come le radiazioni elettromagnetiche appartenenti alla banda di frequenza che varia da 0 Hz a 300 GHz. In questo insieme si fa un'ulteriore distinzione tra frequenze basse, medie e alte, come mostrato nella Figura 1.

Figura 1 : tabella radiofrequenze

Figura 1: tabella radiofrequenze

Nelle UHF (Ultra High Frequency) ed EHF (Extremely High Frequency) sono incluse le frequenze dello spettro delle microonde che sono di fatto quella parte dello spettro che coinvolge le comunicazioni televisive, WLAN, Wi-Fi, telefonia cellulare, etc. Sono fonti di energia presenti quasi ovunque nell'ambiente e questo fa di loro sorgenti perfette per essere convertite e utilizzate come alimentazione per sistemi elettronici, almeno in teoria. Fatta questa dovuta premessa, possiamo finalmente chiederci: che genere di dispositivo può effettuare questo tipo di conversione? La risposta è stata data nel 1964 dall'ingegnere elettrico William C. Brown quando brevettò la Rectenna.

FUNZIONAMENTO

La Rectenna (abbreviazione di Rectifyng Antenna) è, come abbiamo già detto, un dispositivo in grado di convertire le microonde in corrente elettrica. Negli anni '60 William C. Brown la propose alla Raytheon Company (azienda statunitense che opera nel settore della difesa) come metodo per la trasmissione di potenza, concetto già dimostrato da Tesla con le onde radio nel 1899 ma per il quale non era mai riuscito a trovare una vera applicazione commerciale. La Raytheon stava progettando un particolare tipo di piattaforma per le comunicazioni e la sorveglianza che volasse ad alta quota e che potesse essere alimentata tramite un fascio guidato di microonde. Brown riuscì nell'intento, arrivando a sviluppare un prototipo di piccole dimensioni, e la sua idea portò allo sviluppo di nuove tecnologie per l'immagazzinamento di energia in radiofrequenza.

Un modulo rectenna è un dispositivo molto semplice (di fatto è possibile realizzarne anche una versione "casalinga"). È costituito da un'antenna (che può essere di qualsiasi tipo: a monopolo, dipolo, parabolica, etc.) e da un diodo Schottky, un particolare tipo di diodo che ha la particolarità di avere una bassissima caduta di tensione ai suoi capi, infatti un normale diodo ha una caduta di tensione di 0.6-0.7 V, il diodo Schottky invece ha una caduta di tensione di 0.15 - 0.45 V, questo permette di avere una velocità di commutazione molto alta.

Figura 2: Schema a blocchi della Rectenna

Figura 2: Schema a blocchi della Rectenna

In Figura 2 è illustrato lo schema a blocchi del dispositivo. Bene, ora che sappiamo come è fatta la nostra antenna, e che è questa a ricevere le microonde, come riesce a convertirle in energia elettrica? Il campo elettrico (E) dell'onda elettromagnetica (EM), genera una corrente AC indotta sull'antenna. Il filtro passa-basso viene utilizzato per effettuare un adattamento di impedenza, cioè per far coincidere i valori di impedenza tra l'antenna e il raddrizzatore per garantire il massimo trasferimento di energia, inoltre permette al segnale di passare alla frequenza operativa mentre blocca le armoniche di ordine superiore prodotte dal raddrizzatore. Il raddrizzatore, costituito dal diodo Schottky, converte l'ingresso in AC in una corrente in continua utilizzabile dal carico resistivo. In cascata c'è un altro filtro che uniforma il segnale in DC in uscita dal raddrizzatore e allo stesso tempo trasferisce in modo efficace il segnale elettrico al carico.

Che dimensioni deve avere la rectenna? Le dimensioni del dispositivo devono essere della stessa scala di lunghezza delle frequenze che si intende captare e convertire in corrente. Quindi, per quanto riguarda le microonde l'antenna avrà una scala di grandezza dai cm a mm, che è relativamente grande se pensiamo alla scala di lunghezze degli infrarossi (um) e delle frequenze ottiche (nm), cioè la scala di grandezza delle più recenti rectenne ottiche. Ora che abbiamo introdotto lo schema a blocchi e il funzionamento di questo dispositivo possiamo considerare alcune delle sue applicazioni. Da quando William C. Brown fece volare un piccolo elicottero alimentato da un array di 28 unità rectenna a circa 20 metri di altezza sono passati 77 anni, allora è lecito chiedersi in che modo sia stata utilizzata questa tecnologia.

APPLICAZIONI

Etichette RFID

La tecnologia RFID è una delle maggiori e più recenti applicazioni della rectenna. Viene utilizzata per poter tracciare e identificare gli oggetti. Un sistema RFID è costituito da un transponder (o tag), un ricevitore e un'antenna. Quando l'etichetta si avvicina a un lettore a una certa distanza minima (che varia in base alla tipologia di tag), questo si attiva trasmettendo i dati di identificazione al lettore. Esistono due tipologie di etichette RFID che vengono utilizzate in settori differenti:

  • Tag passivi: possono operare ad alta (HF) e bassa (LF) frequenza e ad altissima frequenza (UHF). Come potete ben immaginare la frequenza su cui lavora il tag definisce la distanza minima a cui esso deve stare dal lettore per essere attivato e quindi per trasmettere il numero identificativo. Per questo motivo avremo tag passivi che vengono utilizzati per vari tipi di oggetti, dalle chiavi, libri, abbigliamento, etc. Queste etichette vengono alimentate senza batterie, tramite un circuito integrato che contiene un piccolo modulo rectenna che capta le onde radio emesse dal lettore.
  • Tag attivi: questo tipo di etichette riesce a trasmettere a distanze più consistenti (dell'ordine dei 500 m), e vengono utilizzate per tracciare oggetti in real-time. Vengono alimentati tramite batteria.

Una delle sfide di questa tecnologia è proprio quella di riuscire a utilizzare dei moduli rectenna come alimentazione anche per i tag attivi, in modo da non dover più utilizzare batterie. [...]

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2 Commenti

  1. Newton 26 Marzo 2021

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