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Energy Harvesting per applicazioni elettroniche


Sistemi di accumulo per energia rinnovabile


Con il termine Energy Harvesting, o l’equivalente Energy Scavenging, si indicano quei processi in cui si recupera energia principalmente da fonti rinnovabili, la si salva e la si mette a disposizione per le esigenze delle applicazioni d’interesse. L’obiettivo è quello di convertire l’energia raccolta e averla disponibile sotto forma di energia elettrica utilizzabile. 

Le fonti di energia disponibili per l’energy harvesting sono di diverso tipo, come ad esempio l’energia termica, l’energia cinetica, l’energia chimica e l’energia solare. A seconda della fonte energetica scelta, si utilizzano metodi di conversione differenti:

  • L'energia solare viene convertita tramite celle fotovoltaiche che, grazie alla maturità di questa tecnologia, offrono soluzioni adattabili a tantissimi casi, sia in termini di prestazioni sia in termini di ingombri, grazie alle più recenti celle solari flessibili.
  • Un’altra fonte energetica molto interessante è il moto meccanico, che può essere convertito tramite dei particolari materiali detti piezoelettrici. Grazie alla loro struttura cristallina, questi materiali possono trasformare l’energia di deformazione meccanica in cariche elettriche (effetto piezoelettrico diretto). 


Sistemi di accumulo energie rinnovabili

Esistono due principali modalità per gestire l’energia raccolta tramite sistemi di energy harvesting. L’energia può confluire direttamente al carico per un uso immediato oppure, ed è il caso più comune, si può immagazzinare la carica raccolta per renderla disponibile secondo le richieste del carico. In questi casi i sistemi di harvesting necessitano di sistemi di accumulo per l’immagazzinamento energetico. Ad oggi esistono diverse soluzioni atte a soddisfare quest’esigenza tra cui si distingue l’uso di una batteria, un condensatore o un supercondensatore

I condensatori vengono utilizzati quando l'applicazione deve fornire enormi picchi di energia di breve durata. Le batterie hanno tassi di scarica più bassi e vengono quindi utilizzate quando il dispositivo deve fornire un flusso costante di energia. I supercondensatori, rispetto alle batterie, hanno un numero di cicli di carica-scarica notevolmente superiore e possono quindi funzionare sul lungo periodo consentendo un funzionamento senza manutenzione.

I sistemi di accumulo da fonti rinnovabili trovano innumerevoli campi d’applicazione. Sono frequenti sistemi di questo tipo nella gestione energetica di rete di sensori, come ad esempio i sensori MEMS. Questi sistemi spesso richiedono poca energia per il funzionamento, ma le loro applicazioni sono limitate dalla dipendenza dalla batteria. Il recupero di energia dalle vibrazioni ambientali, dal vento, dal calore o dalla luce può consentire un’alimentazione continua, senza necessità di interventi umani per la sostituzione di batterie.

La stessa ottica si può declinare nel campo dell’Internet of Things (IoT): infatti l’utilizzo di sistemi di energy harvesting può permettere agli oggetti intelligenti di avere un’alimentazione energetica controllata senza richiedere manutenzione umana. 

Di recente si trovano applicazioni futuristiche anche nel campo dei dispositivi wearable, come ad esempio la conversione dell’energetica cinetica del movimento umano o l’utilizzo di celle fotovoltaiche flessibili per alimentare gli strumenti d’interesse.

Un tratto comune a tutte queste applicazioni sono i bassi consumi elettronici dei carichi.

L’utilizzo di sistemi di energy harvesting richiede grande accortezza in quanto è necessario predisporre i sistemi di power management adeguati alle specifiche dell’applicazione. Microla può vantare una considerevole esperienza nella gestione di sistemi di energy harvesting, avendoli sviluppati già per svariate applicazioni. Tali sistemi sono in grado di recuperare l’energia disponibile utilizzando solo una minima parte di essa per poter funzionare. 

Tab.1 - Fonti energetiche e quantità di energia prodotta

 FONTE DI ENERGIA LIVELLO DI ENERGIA TIPICO PRODOTTO APPLICAZIONE TIPICA
 Piccoli pannelli solariCentinaia di mW/cm^2 (luce solare diretta) Dispositivi elettronici portatili 
 Piccoli pannelli solari Centinaia di uW/cm^2 (luce solare indiretta)  Dispositivi elettronici portatili 
Dispositivi ad effetto Seebeck
(conversione di calore in energia elettrica) 
Decine di uW/cm^2 (calore del corpo)  Sensori remoti wireless 
 Dispositivi ad effetto Seebeck
(conversione di calore in energia elettrica) 
 Decine di mW/cm^2
(accumulo di scarichi di fornace)
Attuatori remoti wireless 
 Dispositivi piezoelettrici
(produzione di energia da compressione o
deformazione del dispositivo)
Centinaia di uW/cm^2 Dispositivi elettronici remoti 
o attuatori remoti wireless 
 Energia RF da un'antenna Centinaia di pW/cm^2  Sensori remoti wireless

Tab.2 - Potenza estraibile dai vari tipi di sorgente

SORGENTE ENERGETICA POTENZA RACCOLTA 
Meccanica 
Fonte umana
Ambiente industriale

4 uW/cm^2 
100 uW/cm^2
 Termica
Fonte umana
Ambiente industriale

 25 uW/cm^2 
10 mW/cm^2
Fotovoltaica
Outdoor
Indoor 

100 mW/cm^2 
100 uW/cm^2 
 Elettromagnetica
GSM
Wi-Fi
 
0.1 uW/cm^2 
0.001 mW/cm^2




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