Vibration energy harvesting systems

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La progettazione di dispositivi sempre più integrati necessita l’adozione anche di tecniche di accumulo dell’energia elettrica (harvesting) dall’ambiente circostante. Mentre risorse come energia solare ed eolica sono state ampiamente utilizzate fino ad oggi, si continua a sperimentare nuove soluzioni di alimentazione soprattutto per specifiche applicazioni dove non è possibile adoperare le tecnologie esistenti. Dunque, il progresso tecnologico combinato con la realizzazione di chip e/o dispositivi elettronici sempre a più bassa potenza, consente di poter prendere in considerazione anche nuove fonti di energy harvesting come l’energia ottenuta dalla trasduzione dell’energia cinetica.

Introduzione

Lo sviluppo dei dispositivi portatili o ancor di più di quelli indossabili, ha reso necessario poter accumulare energia dall’ambiente circostante attraverso tecniche di energy harvesting (letteralmente dall’inglese raccolta di energia). Non solo lo sviluppo dei sensori wireless, ma soprattutto lo sviluppo delle reti di sensori WSN  (Wireless Sensor Network) sono elemento cruciale per l'innovazione. La progettazione di WSN per un rilevamento massiccio, ad esempio nell'Industry 4.0, necessita di un effort particolare nell'abbattimento dei costi, considerando soprattutto anche la manutenzione che diviene un elemento focale delle sfide dei progettisti quando i nodi delle WSN sono dislocati in vaste aree o in punti meno accessibili. Ovviamente, per il successo nella progettazione di una rete di sensori affidabile e a costo contenuto è importante raggiungere un'elevata efficienza energetica su ogni nodo della rete grazie a sforzi di progettazione che vanno dalla corretta scelta tecnologica, all'ottimizzazione del design, all'ottimizzazione degli algoritmi e alla scelta della giusta sorgente di energia.

Tra le principali sorgenti utilizzabili come “energy harvesting” troviamo sicuramente:

  • la luce solare o ambientale che, attraverso delle celle fotovoltaiche, può essere convertita in energia elettrica. Non mi dilungo più di tanto su questa tipologia di sorgenti che ormai è diventata bagaglio culturale di qualsiasi progettista ed è stata largamente discussa in molti articoli del blog;
  • energia termica (come i gradienti temici) che può essere accumulata attraverso dei trasduttori termoelettrici. Esempi pratici sono i sistemi di recupero dell’energia in frenatura dei veicoli elettrici;
  • magnetica ed elettromagnetica (convertita attraverso loop di induzione o antenne). Questa viene detta anche energia a radiofrequenza in quanto viene raccolta dai segnali wireless che sono presenti nell'ambiente che ci circonda. Per quanto può sembrare strano, realizzare un trasduttore per raccogliere energia RF è molto semplice: infatti, basta avere una antenna (o un array di antenne) capaci di captare i segnali. Questo, ben filtrato, può fornire una componente continua che può essere utilizzata per fornire alimentazione al dispositivo;
  • cinetica (movimenti e vibrazioni) e può essere convertita attraverso induzione magnetica, sensori piezoelettrici e sensori elettrostatici.

Ognuna delle sorgenti di energia appena citate presenta vantaggi e svantaggi in termini di campi di applicazione, potenze disponibili, dimensioni, e tanto altro. Ogni bravo progettista, durante la concezione del proprio dispositivo, deve possedere le abilità nello scegliere la sorgente che più si addice alle proprie necessità. Sempre maggior successo stanno riscuotendo le ricerche nella trasduzione dell’energia cinetica in energia elettrica. Infatti, tali fonti sono molto interessanti in quanto trovano larga applicazione sia per applicazioni outdoor che indoor.

Principio Fisico

Il fenomeno fisico alla base della trasduzione da energia cinetica a energia meccanica è basato principalmente su due fenomeni:

  • Forze elettromagnetiche: ad esempio quelle che si ottengono tra un magnete e una bobina, ossia il principio inverso di un Relè. Infatti, in un relè abbiamo una conversione da energia elettrica (la corrente che facciamo scorrere nella bobina) ad energia cinetica (il movimento dei contatti che letteralmente si spostano). I trasduttori utilizzano lo stesso principio fisico, ma questa volta anziché fornire una corrente alla bobina, questa viene prelevata.
  • Forze elettrostatiche: tali forze si possono ottenere con strutture basate su:
    • principio dei condensatori: le vibrazioni meccaniche modificano la distanza tra le armature di un condensatore o la loro superficie. In realtà, questo principio non è usato in quanto presenta una problematica: il condensatore deve essere precaricato e quindi non è di fatto un vero generatore di elettricità;
    • trasduttori in materiale piezoelettrico che generano una corrente quando sollecitati da forze esterne (flessione, torsione, compressione ed espansione).

Architettura di un trasduttore piezoelettrico

Nei sensori piezoelettrici l'energia elettrica viene generata quando sollecitati da un carico meccanico, ossia applicando una forza sul materiale sensibile. L'architettura di un trasduttore piezoelettrico per la raccolta di energia cinetica è costituita (come riportato in Figura 1) dai seguenti elementi:

  • una trave a sbalzo, cioè vincolata da un solo lato
  • una massa posta sull'estremo della trave non vincolata
trasduttore piezoelettrico

Figura 1. Struttura di un trasduttore piezoelettrico

Il vantaggio di tali sensori è un'uscita in tensione alta e dimensioni compatte (infatti possono essere anche realizzati integrandoli in MEMS). L'architettura presentata, per divenire generatore, manca della parte di gestione dell'energia elettrica prodotta, che deve essere ottimizzata in funzione della tensione di uscita (che sicuramente sarà alternata e discontinua) e delle potenze in gioco.

Architettura di un trasduttore elettromagnetico

Un trasduttore elettromagnetico è costituito principalmente da due elementi:

  • una bobina
  • uno o più magneti

Nei paragrafi precedenti abbiamo velocemente introdotto il concetto di trasduttore di forze elettromagnetiche confrontandolo con il principio inverso di trasduzione di un Relè. In realtà l’architettura di un trasduttore elettromagnetico è molto simile a quella di uno piezoelettrico, sostituendo di fatto il materiale piezoelettrico con il magnete e la bobina. Nei trasduttori elettromagnetici abbiamo principalmente due architetture, in funzione dell’orientamento tra magneti e bobina:

  • bobina magnetica in linea: il vettore di movimento del magnete è in linea con l'asse della bobina (rappresentato in Figura 2)
  • magnete attraverso la bobina: il vettore di movimento è perpendicolare.

Figura 2. Architettura di un trasduttore elettromagnetico con magnete e bobina in linea

In linea generale, il magnete è meccanicamente solidale al corpo in movimento che trasmette l’energia cinetica (ossia è libero di muoversi) mentre la bobina è fissa e costituisce il generatore. In alcune applicazioni si trova anche una configurazione inversa, dove è la bobina libera di muoversi e il magnete fisso.

Criticità di progettazione

Abbiamo osservato l’architettura dei raccoglitori di energia basati su principi piezoelettrici ed elettromeccanici ma ora è fondamentale introdurre le criticità nella realizzazione di tali architetture. Il primo elemento da valutare sono le dimensioni tra la massa della sorgente di vibrazione e la massa del raccoglitore di energia. Affinché quest’ultimo non influisca sulla dinamica del primo dovrà essere necessariamente di diversi ordini di grandezza inferiori. Inoltre è fondamentale comprendere che l’energia viene immagazzinata grazie alle proprietà elastiche delle parti meccaniche (sia per il piezoelettrico che per l’elettromagnetico) e rilasciata quando la direzione del moto si inverte. Ovviamente questo ci fa comprendere che la tensione prodotta in uscita è in alternata, ma la cosa fondamentale è la progettazione del sistema meccanico affinché vengano ridotte le dispersioni per attrito che producono calore oltre a ridurre l’efficienza. [...]

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