Sensori Energy Harvesting: vantaggi e applicazioni

La continua collaborazione tra aziende tecnologiche e fornitori di servizi cloud sta creando una serie di nuove opportunità per collegare le apparecchiature più diversificate all’Industrial Internet of Things (IIoT). La combinazione di machine learning nel cloud, con la tecnologia di Energy Harvesting e la trasmissione radio a bassissima potenza, permette di fornire un’infrastruttura flessibile per il monitoraggio di edifici e apparecchiature, senza la necessità di connessioni cablate di alimentazione o di comunicazione. Il termine energy harvesting è, infatti, generalmente utilizzato in relazione alla fornitura di energia a piccoli componenti elettronici descritti come a bassa potenza.

Sensori Energy Harvesting e relativi vantaggi

L’energy harvesting (noto anche come energy scavenging) consiste nella conversione dell’energia ambientale. in energia elettrica da utilizzare per alimentare dispositivi o circuiti elettronici autonomi. 

Sebbene in linea di principio, tale tecnologia, sia identica alla generazione di energia rinnovabile su larga scala come le turbine eoliche, con essa la quantità di energia prodotta è molto più piccola, essendo in genere da decine di microwatt a pochi watt. Tuttavia, tale raccolta di energia, può essere utilizzata per fornire una valida alternativa alle batterie. Sebbene quest’ultime siano a basso costo, contengono, tuttavia una quantità limitata di energia e richiedono la sostituzione o la ricarica periodica, con il connesso problema del loro difficoltoso smaltimento.

La tecnologia di energy harvesting si basa sostanzialmente sull’idea che i dispositivi possono raccogliere l’energia presente nell’ambiente circostante in tempo reale e utilizzarla immediatamente, in modo che l’energia debba essere immagazzinata solo temporaneamente. 

Ciò consente ai dispositivi di raggiungere una durata teoricamente infinita, limitata solo dalla durata dei loro componenti. Tuttavia, resta da dimostrare che questa nuova tecnologia è applicabile ai sistemi in tempo reale, in quanto il loro funzionamento è subordinato all’obbligo di rispettare rigorosamente tempi di risposta specifici.  

I sensori di Energy Harvesting sono sviluppati per sfruttare le differenze di temperatura nel loro ambiente, in particolare, possono utilizzare una fonte di calore per generare energia. Allo stesso modo, essi possono raccogliere energia da sorgenti luminose, immagazzinarla ed utilizzata come futura fonte di alimentazione per il sensore. Ed ancora, anche le vibrazioni e il movimento all’interno degli impianti di produzione sono ottime fonti di energia che vengono catturati nei sensori di power harvesting. 

Ed infatti quando le macchine sono in continuo movimento, i “raccoglitori di energia” utilizzano quel movimento per creare potenza per le operazioni di rilevamento. Lo sviluppo di un sensore che funziona con l’energia “raccolta”, impone che vi siano dei requisiti di progettazione specifici. Tipicamente il sensore richiede una qualche forma di elaborazione accoppiata con un canale di comunicazione. 

Per i sensori remoti destinati a essere collocati in luoghi in cui l’alimentazione non è disponibile, è improbabile che ci sia anche una qualsiasi forma di comunicazione cablata. Per questo motivo la maggior parte dei sensori remoti alimentati dall’energia raccolta sarà collegata in modalità wireless utilizzando un protocollo a bassa potenza.

Ad oggi, la raccolta di energia con appositi sensori di harvesting energy, si è concentrata sullo sviluppo di discreti dispositivi in grado di generare energia elettrica da energia cinetica: cioè vibrazioni o movimento come in Beeby et al. (2006), oppure gradienti termici come in Rowe et al. , (1989 ) o la luce incidente in Hande et al. (2007).

Inoltre, la performance dell’energy harvesting è fondamentalmente legata alla quantità e natura della fonte di energia presente nell’ambiente. Quando si progetta una soluzione di energy dell’harvesting. Ed infatti è necessario conoscere in anticipo quali saranno i vincoli applicativi della fonte di energia. Nella raccolta convenzionale di energia cinetica, i dispositivi sono in genere progettati per ogni applicazione e raramente esiste una soluzione che affronti una moltitudine di applicazioni.

Applicazioni dei sensori di Energy Harvesting

In un’applicazione di energy harvesting, l’intero sistema deve essere a bassissima potenza, a partire dalla gestione dell’energia. È improbabile che un approccio di gestione dell’energia “regolare” funzioni nella raccolta di energia poiché semplicemente si sprecherebbe troppa energia nel processo di conversione e regolamentazione. Ciò ha portato all’introduzione di una nuova gamma di circuiti integrati di gestione dell’alimentazione (PMIC) destinati specificamente alle applicazioni di raccolta dell’energia. Gli oggetti connessi, inclusi i sensori wireless e le apparecchiature elettroniche indossabili, sono i domini di applicazione più importanti dell’energy harvesting. 

L’implementazione di queste nuove tecnologie ha in particolare provocato un cambiamento nell’approccio progettuale dei sistemi elettronici. Esso ha altresì introdotto nuove sfide per i progettisti di sistemi che ora devono anche tentare di ottimizzare l’utilizzo della potenza ambientale disponibile per ottenere l’autosufficienza energetica in ogni dispositivo. Questa sfida diventerà probabilmente più facile da risolvere nel tempo. Infatti, il consumo di energia dei circuiti elettronici e le connessioni wireless sono costantemente diminuite. 

Ciò ha portato a una vertiginosa espansione della tecnologia di energy harvesting in ogni campo di applicazione: domotica, medicina, militare, trasporti, ecc. Entro il 2024, il mercato globale dei dispositivi alimentati dall’energia ambientale dovrebbe raggiungere i 2,6 miliardi di unità. Tuttavia, l’energy harvesting presenta una nuova serie di sfide, la maggior parte delle quali può essere ricondotta al carattere incontrollabile e imprevedibile della maggior parte delle fonti di energia ambientale.

I sensori e gli interruttori wireless per la raccolta di energia sono particolarmente adatti ed utilizzati per applicazioni ai cd. “edifici intelligenti”.

Alimentati dal loro ambiente tramite calore, luce o movimento, non richiedono batterie per acquisire e inviare dati. Ciò consente di posizionare sensori di temperatura, umidità e movimento, nonché attuatori, praticamente ovunque. I protocolli wireless utilizzati consentono ai sensori di comunicare tra loro e un controller, o “gateway”, che può essere connesso al cloud per abilitare il paradigma degli edifici “intelligenti”. Ciò consente agli utenti di monitorare e controllare le proprie case o uffici da qualsiasi luogo con una connessione Internet.

Gli edifici intelligenti vengono abilitati dalle aziende che offrono una soluzione “platform as a service” (PaaS), che mette la tecnologia necessaria per monitorare e controllare i dispositivi intelligenti nel cloud. Al fine di fornire una soluzione completa, i provider PaaS stanno ora collaborando con i provider di tecnologia per integrare meglio le loro offerte. Ciò comporta spesso la creazione di un “avatar” del dispositivo del mondo reale, che rimane sincronizzato con l’interruttore o l’attuatore controllato. La dualità fornisce controllo o monitoraggio locale e remoto senza introdurre inutili ritardi nel sistema e riunisce due distinti domini tecnologici. I protocolli wireless in lizza per la quota di mercato nell’IIoT includono standard generici come Bluetooth, ZigBee e Thread, oltre a soluzioni proprietarie più mirate.

La tecnologia di Energy Harvesting trova altresì le applicazioni più disparate. Come nell’ambito fotovoltaico in cui l’intermittenza delle fonti di luce delle celle fotovoltaiche viene utilizzata per caricare le batterie o i supercondensatori nonché per fornire una fonte di energia stabile. Vi sono, inoltre, harvester termoelettrici che sfruttano l’effetto Seebeck: in essi viene generata una tensione in presenza di una temperatura differenziale al punto di giunzione di due metalli diversi. Altre applicazioni si registrano per i trasduttori piezoelettrici che generano elettricità se posti sotto tensione e per la tecnologia di radiofrequenza.

Ulteriori ed interessanti applicazioni sono in fase di sviluppo e di ricerca. Come per esempio nel settore medicale, per il quale risulta di grande interesse lo studio di alcuni ricercatori dell’Università del Michigan che hanno sviluppato un dispositivo che raccoglie l’energia del battito cardiaco, attraverso il torace, e lo converte in elettricità. Ciò al fine di alimentare un pacemaker o un defibrillatore impiantato, nel tentativo di ovviare alla necessità di sostituire periodicamente la batteria.

Giuseppe Caccavale