L’energy harvesting è un campo emergente dell’elettronica di potenza che si concentra sulla conversione di piccole quantità di energia ambientale in energia elettrica utilizzabile. Questa tecnologia, è particolarmente rilevante nelle applicazioni che richiedono una fonte di alimentazione a lungo termine, come sensori wireless, dispositivi indossabili, dispositivi IoT e sistemi di monitoraggio ambientale. A causa dell’intermittenza delle diverse fonti di energia ambientale (luce, calore, energia meccanica, radiazione elettromagnetica), lo stoccaggio dell’energia è diventato un argomento cruciale. L’energia può essere raccolta da varie fonti, tra cui la luce solare, il calore, le vibrazioni e le onde radio. Tuttavia, la principale sfida dell’energy harvesting rimane l’efficienza con cui l’energia ambientale può essere catturata e convertita in una forma utilizzabile. È qui che entrano in gioco semiconduttori avanzati e vari dispositivi di stoccaggio, come batterie a film sottile allo stato solido, supercondensatori e celle a combustibile reversibili.
Energy Harvesting: Esempi di Applicazioni e Casi d’Uso
Sistemi avanzati come i sensori wireless, hanno acquisito nel tempo una grande utilità grazie all’energy harvesting. Inoltre, l’evoluzione dei circuiti e della tecnologia dei semiconduttori ha ridotto il consumo energetico dei sistemi elettronici. Questo ha permesso l’uso di efficienti trasduttori di energia, come celle solari e microgeneratori termoelettrici o induttivi, per alimentare piccoli dispositivi, inclusi sensori, microcontrollori e ricetrasmettitori wireless. Altri casi d’uso dell’energy harvesting includono impianti medici personalizzati, sensori e trasduttori integrati in macchine termiche ed elettriche o in apparecchiature rotanti, e sensori in reti distribuite ad-hoc. In un futuro prossimo, i trasduttori per la raccolta dell’energia ambientale potrebbero consentire tempi di standby illimitati o il funzionamento di dispositivi più esigenti, come dispositivi elettronici indossabili personali e persino smartphone, rendendo questi dispositivi quasi completamente autonomi.
I Semiconduttori di Potenza Migliorano l’Efficienza dei Sistemi di Energy Harvesting
I semiconduttori svolgono un ruolo strategico nell’implementazione efficace dei sistemi di energy harvesting. Dispositivi a semiconduttore come diodi, transistor e convertitori di potenza sono fondamentali per convertire e gestire l’energia raccolta. I semiconduttori a banda proibita larga (WBG) stanno guadagnando terreno in questo settore grazie alla loro eccellente efficienza e robustezza. Questi materiali consentono una conversione energetica con minori perdite rispetto ai semiconduttori in silicio tradizionale, aumentando così l’efficienza complessiva del sistema. Inoltre, la capacità di operare a temperature più elevate e con tensioni maggiori rende i semiconduttori WBG particolarmente adatti per applicazioni in ambienti difficili, dove l’energia ambientale disponibile può variare notevolmente.
La tecnologia dei convertitori di potenza è al centro delle applicazioni di energy harvesting. Questi convertitori devono essere estremamente efficienti, poiché l’energia disponibile da fonti ambientali è spesso molto ridotta. I convertitori di potenza devono operare efficacemente a livelli di potenza molto bassi e con tensioni di ingresso variabili. I semiconduttori WBG, grazie alle loro eccellenti proprietà di commutazione, permettono di realizzare convertitori più efficienti in grado di gestire efficacemente queste condizioni variabili. Un esempio di tecnologia chiave è il convertitore DC/DC a bassissimo consumo, essenziale per raccogliere e stabilizzare l’energia proveniente da fonti come celle solari o generatori termoelettrici, che possono fornire tensioni e correnti fluttuanti. Utilizzando semiconduttori avanzati, questi convertitori possono operare con un’efficienza di conversione superiore al 90%, anche a livelli di potenza molto bassi.
Gestione dell’Energia: Aspetti Critici e Sistemi Avanzati
Oltre all’efficienza di conversione, un aspetto fondamentale dell’energy harvesting è la gestione dell’energia raccolta. Poiché l’energia raccolta è spesso limitata e intermittente, è essenziale disporre di sistemi che possano immagazzinare l’energia raccolta e fornirla in modo costante ai dispositivi di consumo. Le tecnologie avanzate dei semiconduttori vengono utilizzate per sviluppare sistemi di gestione dell’energia che possono regolare e distribuire l’energia in modo efficiente.
Ad esempio, i circuiti integrati per la gestione della potenza (PMIC) sono progettati per massimizzare la quantità di energia raccolta e ridurre al minimo le perdite durante la distribuzione. Questi PMIC possono integrare funzioni come il “tracking del punto di massima potenza” (MPPT), particolarmente utile per ottimizzare l’energy harvesting da fonti variabili. Inoltre, con l’avanzamento dei semiconduttori, questi dispositivi stanno diventando sempre più miniaturizzati, rendendoli ideali per applicazioni in dispositivi portatili e compatti, dove lo spazio è limitato.
La Figura 1mostra un IC di Analog Devices che produce una gamma di prodotti ultra-low-power per applicazioni di energy harvesting.
I prodotti per la gestione dell’energia, che convertono energia da varie fonti, come vibrazioni, fotovoltaico e termico, offrono un’elevata efficienza di conversione a tensioni regolate o per caricare batterie ed elementi di stoccaggio come i supercondensatori. La gestione termica è un altro aspetto chiave delle applicazioni di energy harvesting. Sebbene la potenza coinvolta sia generalmente bassa, l’efficienza del sistema può essere gravemente compromessa se il calore generato non viene dissipato correttamente. I semiconduttori WBG, con la loro capacità di operare a temperature più elevate, offrono un vantaggio significativo in questo contesto. La capacità di gestire meglio il calore non solo migliora l’affidabilità del dispositivo, ma permette anche l’uso di dissipatori di calore più piccoli, facilitando la realizzazione di sistemi più compatti. Inoltre, l’integrazione di tecnologie di raffreddamento avanzate, come materiali a cambiamento di fase o raffreddamento a micro-canali, può migliorare ulteriormente la gestione termica nei dispositivi di energy harvesting, aumentando l’efficienza complessiva.
Innovazione nei Materiali Piezoelettrici e Piroelettrici
Un’altra area di significativa innovazione nell’energy harvesting è l’uso di materiali piezoelettrici e piroelettrici, che possono generare elettricità in risposta a variazioni meccaniche o termiche, rispettivamente. I semiconduttori vengono utilizzati per sviluppare circuiti di condizionamento del segnale in grado di catturare e convertire l’energia prodotta da questi materiali in energia elettrica utilizzabile. Ad esempio, i materiali piezoelettrici possono raccogliere energia dalle vibrazioni, comuni in ambienti industriali o urbani. I circuiti di condizionamento del segnale basati su semiconduttori WBG possono migliorare l’efficienza nella conversione di questa energia meccanica in energia elettrica, rendendo queste tecnologie più pratiche per una vasta gamma di applicazioni, dai sensori indossabili ai sistemi di monitoraggio delle infrastrutture.
Un’altra fonte di energia per l’energy harvesting è l’energia a radiofrequenza (RF). Con la diffusione delle reti wireless e delle comunicazioni a corto raggio, l’energia RF è diventata una fonte potenziale per l’alimentazione di piccoli dispositivi. I semiconduttori di potenza sono essenziali per lo sviluppo di antenne e circuiti di conversione che catturano e convertono l’energia RF in energia elettrica. Le tecnologie a base di GaN offrono eccellenti prestazioni ad alta frequenza, rendendole ideali per la cattura e la conversione dell’energia RF. Inoltre, la capacità di operare a basse tensioni e con elevata efficienza di conversione rende questi dispositivi particolarmente adatti per le applicazioni di energy harvesting RF, in cui l’energia disponibile è spesso molto ridotta.
Conclusioni
L’elettronica di potenza ha una grande importanza nelle applicazioni di energy harvesting, permettendo una raccolta, conversione e gestione efficienti dell’energia da fonti ambientali. L’adozione di semiconduttori di potenza sta trasformando il modo in cui queste tecnologie vengono implementate, migliorandone l’efficienza, riducendo le dimensioni dei sistemi e aprendo nuove possibilità per l’energy harvesting in una vasta gamma di applicazioni. Con l’evoluzione continua delle tecnologie a semiconduttore e l’emergere di nuove fonti di energia ambientale, l’energy harvesting diventerà sempre più rilevante, contribuendo a creare un futuro più sostenibile e riducendo la dipendenza dalle fonti energetiche tradizionali. Nonostante ciò, la batteria non può essere completamente sostituita, ma possiamo lavorare per aumentare il tempo tra una ricarica e l’altra, incrementando la durata e consentendo così una significativa riduzione dei rifiuti e dell’impatto ambientale.
Articolo originale pubblicato sul sito di Power Electronics News.
