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Di Mario Rotigni

Vediamo come sia possibile iniziare ad imitare la Natura in una delle caratteristiche più tipiche delle creature viventi, la capacita’ di alimentarsi in modo autonomo.

Le macchine progettate dell’uomo differiscono dalle creature viventi in alcuni aspetti molto interessanti dal punto di vista ingegneristico. Le creature viventi sono caratterizzate dalla capacità di assorbire autonomamente energia dall’ambiente in cui vivono, da una grande efficienza nell’utilizzare l’energia acquisita, dalla capacità di auto-ripararsi, seppur parzialmente e dalla capacità di autoriprodursi. Le creature viventi sono inoltre in grado di imparare dall’esperienza, diventando in grado di eseguire compiti anche complessi senza alcuna sorta di “programmazione”.

Di tutte queste caratteristiche allo stato presente della tecnologia, siamo in grado di riprodurre parzialmente la capacità di autoapprendimento e, in modo molto più limitato, la capacità di ricavare almeno una parte dell’energia necessaria al funzionamento dall’ambiente. L’espressione inglese “Energy Harvesting” rende molto bene l’idea di questa tecnologia, potendosi tradurre con “raccogliere energia dall’ambiente”. Un’altra possibile traduzione, ancora più suggestiva, per il verbo “to harverst” è mietere.

Non per pedante anglomania, utilizzeremo quindi in questo articolo la più colorita espressione originale inglese, ad indicare tutte le tecniche che ci mettono in grado di ricavare energia necessaria al funzionamento dell’apparecchiatura da una qualche forma di energia dispersa, presente nell’ambiente in cui l’apparecchiatura opera. Un esempio, ormai molto diffuso, è costituito dalla  conversione di energia fotovoltaica, processo in cui energia elettromagnetica in forma di luce viene convertita direttamente in energia elettrica.

Altre forme di energia ambientale possono essere sfruttate, quali energia meccanica risultante da movimenti o vibrazioni ed energia termica direttamente convertibile in energia elettrica. Un’altra possibile sorgente utilizzabile è l’energia elettromagnetica a radiofrequenza che permea i nostri ambienti in varie regioni dello spettro. In particolare si assiste negli ultimi anni all’introduzione di generatori detti TEG (Thermo Electric Generator), compatti moduli basati sull’effetto Seebeck.

Tra due giunzioni di conduttori diversi mantenute a temperature differenti, si sviluppa in una piccola tensione elettrica. In questo consiste l’effetto Seebeck. I generatori TEG sfruttano questo principio per generare energia elettrica sufficiente ad alimentare piccole apparecchiature, sfruttando le differenze di temperatura presenti nell’ambiente operativo, quindi recuperando energia che diversamente andrebbe dispersa. Possiamo dire che un flusso di calore viene trasformato in un flusso di corrente elettrica.

Maggiore è la differenza di temperatura tra i due lati della cella generatore, maggiore è l’energia elettrica producibile. Si tratta in sostanza del fenomeno opposto all’effetto Peltier, che consente di realizzare, ad esempio, apparati refrigeratori senza l’ausilio di circuiti idraulici. La circolazione di una corrente causa in tal caso la creazione di una differenza di temperatura tra i due lati di una cella Peltier.

Un interessante esempio di generatore TEG è presentato nel riferimento 2. Si tratta di un dispositivo semiconduttore racchiuso in un contenitore delle dimensioni di 15 × 10 mm e meno di 10 mm di altezza. La base rettangolare costituisce il lato freddo, la parte superiore è un cilindro di alluminio che costituisce il lato caldo, tipicamente posto in stretto contatto con la sorgente di calore che si intende sfruttare. Un dissipatore di calore di tipo alettato normalmente usato in elettronica, viene montato sul lato freddo. Il generatore opera a temperature relativamente basse, fino a 100° centigradi, generando fino a 1,68 V per Watt termico in ingresso. Trattandosi di un dispositivo lo stato solido non richiede alcun tipo di manutenzione. il suo principio di funzionamento è ben illustrato dalla figura 1.

Figura 1: Schema funzionamento del generatore termoelettrico Micropelt
Figura 1: Schema funzionamento del generatore termoelettrico Micropelt

Il dispositivo è ottimizzato per sfruttare un flusso di calore che lo attraversi dall’alto verso il basso o viceversa dal basso verso l’alto. La potenza massima ricavabile è di 12 mW con un salto termico di 100°. Il foglio specifiche presenta le caratteristiche complete, schemi applicativi, suggerimenti per il ridimensionamento del dissipatore di calore in modo da aumentare il salto termico disponibile, quindi la potenza ricavabile. Sono anche suggeriti circuiti di conversione DC-DC in modo da portare i valori di tensione generati a livelli più facilmente utilizzabili.

Nella pratica comune, la maggior parte delle sorgenti di energia ambientale utilizzabili sono caratterizzate da una grande discontinuità nella disponibilità di energia. Insieme al sistema di conversione è quindi spesso richiesta la disponibilità di una forma di accumulo di energia realizzata mediante condensatori o accumulatori. Ancora più interessanti sono le applicazioni caratterizzate da livelli di energia richiesta molto bassa, dove diventa proponibile l’utilizzo diretto dell’energia ricavata dall’ambiente, senza alcuna forma di accumulatore chimico, pila o batteria. L’eliminazione della necessità di manutenzione così consentita è particolarmente apprezzabile dove non si voglia appesantire l’applicazione con sistemi di sorveglianza del livello di carica che indichino la necessità di sostituzione delle batterie, o dove l’intervento  sia fisicamente disagevole.

Una tecnica di Energy Harvesting molto interessante e già commercialmente disponibile e’ proposta da Cherry, sotto il nome di RF Switches (vedi riferimento uno). Si tratta di un interruttore o deviatore meccanico, oggetti equivalenti a quelle presenti in tutte le nostre case, ma caratterizzato dal fatto di non avere alcuna connessione a filo né per ricavare energia per il suo funzionamento né per trasmettere lo Stato aperto/chiuso o l’evento “manovra avvenuta”. Non è richiesta alcuna batteria, eliminando quindi qualsiasi forma di manutenzione. Ogni RF Switch è composto da un’unità di gestione dell’alimentazione e da una sezione elettronica a radiofrequenza. L’interruttore meccanico è connesso ad un generatore che converte energia meccanica di attivazione in energia elettrica resa immediatamente disponibile per alimentare la sezione di comunicazione vedi figura 2.

Figura 2: Schema blocchi Cherry RF Switch
Figura 2: Schema blocchi Cherry RF Switc

La sezione elettronica comprende un trasmettitore ed il circuito di antenna. Il principio di funzionamento si basa sull’induzione elettromagnetica e la generazione di un flusso magnetico in una serie di bobine ottenuta attraverso il movimento di un magnete permanente, causato dall’azionamento dell’interruttore meccanico. L’ energia ottenuta e’ temporaneamente immagazzinata ed utilizzata per generare una tensione predefinita per un periodo di tempo molto limitato.

Per comprensibili ragioni, il dispositivo è descritto in termini piuttosto sommari dal costruttore. Siamo comunque in presenza di un generatore elettromagnetico che consente di trasformare energia cinetica in energia elettrica. Una volta ottenuta l’informazione “interruttore azionato”, questa deve essere trasmessa da un sistema di controllo ed attuazione remota.

L’Informazione può essere trasmessa utilizzando un protocollo sviluppato in proprio, specifico per la propria applicazione, oppure con protocolli standard. I protocolli disponibili ora sono KNX-RF, ZigBee o Bluetooth a bassa energia. Le frequenze operative sono 868 MHz, 915 MHz, 2,4 GHz cioè le frequenze disponibili in Europa e nel resto del mondo per telecomandi o comunicazione a breve raggio. Per evitare interferenze tra dispositivi diversi, ogni singolo commutatore venduto ha un codice di identificazione unico che permette di escludere errori nella rete applicativa finale. Evidentemente un solo comando può essere trasmesso, corrispondente all’evento cambio di stato del commutatore meccanico.

RF Switches è un’idea particolarmente ingegnosa che consente di ottenere piccole quantità di energia, associate all’informazione del sensore costituito dalla commutatore, esattamente quando è necessaria. Il grande vantaggio del sistema proposto consiste nella grande semplificazione delle connessioni e quindi nel ridotto costo dell’impianto, completa assenza di manutenzione, semplicità e velocità di installazione, elevata efficienza energetica e facilità di configurazione di più organi di comando in un sistema. Immaginando di utilizzare questi dispositivi dell’impianto elettrico civile di un appartamento, diventa possibile l’espansione dei punti di comando ad esempio degli organi d’illuminazione, senza bisogno di opere murarie e di cablaggio elettrico. Il sistema offre anche una grande flessibilità di associazione di più ricevitori ad un singolo organo di comando o viceversa e consente una facile espandibilità.

Nell’ambito del nostro esempio un punto luce può facilmente avere associati più interruttori, come normalmente avviene nei normali impianti cablati attraverso l’uso di deviatore ed invertitore. Mentre ZigBee e Bluetooth sono probabilmente noti al lettore, possiamo dire che KNX è uno standard internazionale basato su connessione bifilare, linee di alimentazione, Ethernet  oppure radiofrequenza, il caso che ci interessa qui, standard normalizzato dalla specifica europea EN50090 e internazionale ISO/IEC14543-3. Lo standard è destinato ad uso in automazione domestica e degli edifici in generale. Il KNX-RF fa uso di una modulazione FSK con codifica Manchester (vedi riferimento 3), velocità di trasmissione 32.768 caratteri per secondo. La potenza di trasmissione va da 1 a 25  mW. Pensato per soluzioni a basso costo, un trasmettitore KNX-RF può avere dimensioni paragonabili a una moneta da un centesimo di Euro.

Un sistema completo richiede, oltre al modulo Energy Harvesting, anche un ricevitore. Il modulo è disponibile come circuito stampato, come interruttore o deviatore completi e come interruttore luce in contenitore appropriato. Il ricevitore è disponibile come circuito stampato da integrare nell’unità di controllo e come modulo completo.

In entrambi i casi, le antenne sono realizzate sui circuiti stampati, evitando così di esporre l’utilizzatore a problematiche di progettazione di circuiti a radiofrequenza. Il ricevitore può avere varie interfacce in tensione, ad anello di corrente, USB, RS232 o uscita su contatti di relé. La distanza massima tra trasmettitore e ricevitore può essere 300 m all’aperto, 30 m in edifici quando si opera a 868/915 MHz, per ridursi a 10 m quando si opera con 2,4 GHz. A titolo di curiosità, si può dire che l’energia generata ad ogni azionamento meccanico è tipicamente un terzo di mW. Per supportare lo sviluppo di applicazioni è disponibile un kit contenente tutto quanto serve a costruire un sistema elementare. Il kit consente anche attraverso la connessione al personal computer di misurare l’intensità del segnale radiofrequenza. Tra le nuove caratteristiche in sviluppo abbiamo una comunicazione bidirezionale tra trasmettitore e ricevitore, in modo da poter realizzare una diagnostica delle unità satelliti, a tutto vantaggio dell’affidabilità del sistema.

Riferimento 1: http://cherryswitches.com/energy-harvesting/
Riferimento 2 : TGP651 Thermo Generator Package, Micropelt
Riferimento 3: PSI5 Sensori Intelligenti, Firmware n. 89, Giugno 2013 [/iscritti]

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