L’energy harvesting (EH) è una tecnica utilizzata per raccogliere energia dall’ambiente e convertirla successivamente in alimentazione elettrica. Tale conversione sfrutta diverse fonti di energia, tra cui luce, calore e sorgenti vibrazionali. Le tecniche fotoelettriche, termoelettriche, piezoelettriche ed elettrodinamiche sono ben note e spesso utilizzate per alimentare i nodi di rilevamento WSN (Wireless Sensor Network), che trasmettono i dati a un controller centrale. Le tecnologie di energy harvesting possono essere utilizzate per migliorare l’affidabilità e la disponibilità dei sistemi industriali.

Nei contesti industriali, può essere lo stesso macchinario a fornire fonti di energia “intrinseche” come calore e vibrazione. Ad esempio, un generatore termoelettrico (TEG) può utilizzare la differenza di temperatura tra un motore e l’ambiente, in alcuni casi a partire già da 10° C, per fornire l’energia necessaria per alimentare un sensore wireless. Indipendentemente dalla tecnica di energy harvesting utilizzata, il sensore potrebbe fornire l’input critico per il sistema di monitoraggio dello stato della macchina, ma potrebbe anche essere un elemento di retroazione facilmente installato (nessun cablaggio richiesto) nel sistema di controllo.

L’energy harvesting è considerato una fonte inaffidabile, nel senso che la disponibilità di energia può variare notevolmente nel tempo a seconda delle condizioni ambientali e per questo spesso non viene presa in considerazione. In realtà è possibile combinare una fonte di raccolta dell’energia come vibrazione, calore o energia solare con una batteria ricaricabile. I nodi dei sensori autonomi possono essere facilmente collocati in luoghi difficili da raggiungere e i sistemi di gestione dell’alimentazione possono durare per migliaia di cicli, prolungando notevolmente la durata dei dispositivi.

Grazie al monitoraggio delle apparecchiature, inoltre, è possibile pianificare la manutenzione solo quando è necessario. Infrastrutture e nodi di monitoraggio a basso costo con soluzioni di energy harvesting possono avere una durata funzionale di decenni, e possono essere installati su qualsiasi macchinario industriale per eliminare interruzioni impreviste delle operazioni che possono compromettere il ciclo produttivo.

Vediamo qui di seguito come è possibile recuperare energia dal calore e dalle vibrazioni.

Energia termica

La raccolta di energia termica è il processo di cattura del calore che è liberamente disponibile nell’ambiente oppure rappresenta l’energia di scarto emessa da motori, macchine e altre fonti e la mette in uso. La conversione diretta dell’energia termica in energia elettrica può essere realizzata attraverso l’effetto Seebeck, in cui un flusso di calore indotto attraverso un dispositivo termoelettrico progettato in modo appropriato produce una tensione e una corrente elettrica. La coppia PN, che è il componente base di un dispositivo termoelettrico (TEG), comprende una singola struttura di materiale termoelettrico di tipo P e N, ciascuna collegata elettricamente in serie.

Il generatore TEG è rappresentato essenzialmente da una cella di Peltier
Il generatore TEG è rappresentato essenzialmente da una cella di Peltier

Ponendo molte coppie PN in serie elettricamente e in parallelo termicamente, si può costruire un tipico modulo TEG che genera una tensione proporzionale al gradiente termico. I moduli di generazione di energia termoelettrica o TEG sono già utilizzati in molte applicazioni, come le navi spaziali in cui raccolgono il calore emesso dal decadimento di una fornitura di materiale radioattivo.

I moduli termoelettrici stanno entrando decisamente nel mercato di una vasta gamma di sensori wireless e di altri sistemi di comunicazione come sostituti per le batterie. Questo perché offrono una soluzione più rispettosa dell’ambiente e perché eliminano la necessità di sostituire una batteria esaurita. Ciò consente anche di collocare questi sistemi dove sarebbe impossibile sostituire le batterie, ad esempio in ambienti difficili o pericolosi.

Il settore emergente dell’elettronica indossabile (wearable) offre anche il potenziale per la raccolta di energia termoelettrica alimentando i dispositivi con il calore corporeo.

Un certo numero di progetti è in procinto di collocare i generatori termoelettrici nei sistemi di scarico dei veicoli per integrare o sostituire l’alternatore del veicolo con l’obiettivo di aumentare l’efficienza complessiva del carburante. Un’ampia gamma di tecnologie per la raccolta di energia viene anche considerata per le applicazioni di intelligence e difesa.

Energia vibrazionale

La raccolta di energia delle vibrazioni utilizza le sorgenti intrinseche a basso livello associate alle macchine rotanti come i motori elettrici, al fine di generare le centinaia di microwatt o singoli milliwatt necessari per alimentare i nodi wireless commerciali. Ci sono molte altre opportunità per convertire le vibrazioni in energia elettrica. Il traffico veicolare è un esempio, così come il semplice movimento di una persona che cammina. Anche la semplice azione del tallone che colpisce il terreno mentre cammina produce energia.

I trasduttori piezoelettrici impiegati sono una sottoclasse di cristalli asimmetrici. L’asimmetria nella cella unitaria del materiale stabilisce il meccanismo per cui deformare il cristallo porta a una piccola differenza di potenziale. È vero anche il contrario: l’applicazione di una tensione esterna al cristallo causerà una deformazione meccanica. Ad esempio, gli attuatori piezoelettrici sono utilizzati negli stadi di microscopia di precisione come quelli utilizzati nella microscopia a forza atomica. Gli attuatori piezoelettrici su scala ridotta vengono utilizzati per estrarre l’inchiostro da alcuni tipi di testine di stampa.

Rappresentazione generale di un Trasduttore piezoelettrico e relativo circuito elettrico equivalente
Rappresentazione generale di un trasduttore piezoelettrico e relativo circuito elettrico equivalente

Per “accordare” la proprietà di un trasduttore piezoelettrico, tuttavia, è necessario comprendere appieno il profilo di frequenza dell’oggetto vibrante e trovare la propria frequenza di risonanza. Per alcune applicazioni come i motori, le caratteristiche e la frequenza di risonanza delle vibrazioni possono essere ben note. Per gli altri, ottenere una comprensione sufficiente richiede la misurazione della vibrazione dell’oggetto con un accelerometro e l’analisi delle caratteristiche di frequenza dei dati acquisiti attraverso la trasformata di Fourier veloce (FFT) per trovare la frequenza di risonanza.

Maurizio Di Paolo Emilio

Dottore di ricerca in Fisica, Ingegnere delle telecomunicazioni e Giornalista Pubblicista. Ha lavorato in esperimenti per la rivelazione di onde gravitazionali (Esperimento LIGO/VIRGO: Premio Nobel 2017 per la Fisica) come progettista software/hardware, e in altri esperimenti scientifici per lo sviluppo di sensoristica. Collabora a vari progetti di ricerca con enti pubblici e università, e con aziende come progettista elettronico. Collabora inoltre con diversi magazine italiani ed internazionali come technical writer ed editor. E' autore di vari libri editi dalla Springer, oltre a numerose pubblicazioni scientifiche e tecniche.

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