Nel nostro pianeta Terra esistono varie forme di energia disponibili nell’ambiente ove viviamo: l’energia solare che fornisce sorgenti di luce e calore, l’energia elettromagnetica, l’energia cinetica, l’energia termica, l’energia biochimica. L’energia ambientale può essere raccolta, quindi acquisita e convertita in energia elettrica mediante i trasduttori. I trasduttori a loro volta sono classificati per tipologia di sorgente energetica da acquisire. Si trovano in commercio trasduttori di luce, di movimento/vibrazioni, di calore, di campo magnetico, di radiofrequenza.
I vantaggi della Energy Harvesting
La raccolta e conversione di energia consente notevoli benefici fra i quali l’operatività a lungo termine dei dispositivi utilizzatori, risparmio dei costi, sicurezza e affidabilità, nessuna manutenzione, possibilità di operatività in siti difficilmente accessibili, flessibilità applicativa. Si consideri ad esempio che nel caso di applicazioni WSN (wireless sensor networks) il 90% di questa applicazione non sarebbe possibile senza l’utilizzo della raccolta e conversione di energia da sorgenti solari, termiche, di vibrazione. La sfida principale dei sistemi WSN è l’auto-alimentazione. I sensori del sistema WSN sono utilizzati nelle più varie ed importanti applicazioni:
- monitoraggio ambientale;
- monitoraggio strutturale;
- applicazioni di controllo e interattive, come ad esempio l’automazione di edifici, il trasporto ferroviario, la sensoristica automotive;
- sistemi di sorveglianza;
- assistenza medica e monitoraggio a distanza;
- applicazioni militari ed aereospaziali.
Per quanto riguarda l’energia di movimento e vibrazione con essa è possibile alimentare in modo praticamente perpetuo, senza l’utilizzo di batterie, alcune applicazioni wireless. Da pompe rotanti, treni, compressori e similari sorgenti si ricava sufficiente energia per alimentare i dispositivi GPS e le trasmissioni GSM. È inoltre possibile ottenere energia per il monitoraggio ambientale e meteorologico, il monitoraggio del sistema di trasporto ferroviario dei passeggeri e merci, il monitoraggio dei ponti radio per la trasmissione wireless. Le necessità energetiche previste per i dispositivi di basso consumo si differenziano per tipologia di impiego. Si consideri che in stand-by, la minima potenza assorbita da un dispositivo può essere dell’ordine di 10 nW, per il funzionamento di un orologio elettronico e di una calcolatrice si necessita almeno 1uW, per un transceiver Bluetooth 10mW, per un dispositivo MP3 100mW, per un computer portatile 10W, per un computer desktop 100W. Nel 2009 la Texas Instruments ha stimato l’energia totale disponibile dalle varie sorgenti presenti nell’ambiente:
- energia di movimento e vibrazione generata: dall’uomo 4 μW/cm2, dall’industria 100 μW/cm2;
- energia differenziale termica generata: dall’uomo 25 μW/cm2, dall’industria fino a 10 μW/cm2;
- energia luminosa: indoor 10 μW/cm2, outdoor 10 mW/cm2;
- energia RF: GSM 0,1 μW/cm2, Wi-fi 1 μW/cm2.
La classificazione dei trasduttori
Nella tabella 1 per ogni sorgente di energia ambientale vengono descritte le caratteristiche dei rispettivi trasduttori.
| Sorgenti di energia | Le sfide | Impedenza tipica | Tensione tipica | Potenza di uscita tipica |
| Luce | Piccole superfici
Grandi range di tensione in ingresso |
Variabile con l'intensità luminosa - da pochi ohm a decine di kilo ohm | In funzione del numero di celle - da 0,5 a 5 V | 10 μW - 15 mW |
| Vibrazione | Variabilità delle frequenze di vibrazione | Impedenza costante - da una decina di Kohm a 100 Kohm | Tensione alternata di una decina di Volt | 1 μW - 20 mW |
| Calore | Piccoli grandienti termici, efficienza di conversione | Impedenza costante - da 1 ohm a circa 100 ohm | Tensione continua - da circa 1 mV a 10 V | 0,5 mW - 10 mW |
| RF&Induttive | Accoppiamento e rettifica | Impedenza costante - pochi ohm | Tensione alternata in funzione di distanza e potenza - da pochi mV a qualche Volt | Grande range |
Tabella 1: Sorgenti di energia e trasduttori
Nella tabella 1 per ogni tipologia di trasduttori viene riportata la relativa prestazione e i parametri tipici quali l’impedenza, la tensione di funzionamento e la potenza di uscita.
Il potenziale della Energy Harvesting nel mercato mondiale
Si stima di circa 4 bilioni di dollari entro il 2020 il mercato dei sensori wireless. Per quanto riguarda equipaggiamenti e sistemi di monitoraggio termico, il mercato stimato è intorno ai 22 milioni di dollari. Per il mercato dei sensori di vibrazione e velocità e dei trasmettitori viene valutata una crescita da 17,4 milioni di dollari nel 2006 fino ad 112,5 milioni di dollari nel 2012 con una crescita annuale prevista del 34,4%. Il grafico di figura 1 (fonte: NiPS Energy Harvesting Summer School) rappresenta il mercato potenziale della Energy Harvesting nei vari settori di utilizzazione nel mondo. E’ da osservare la predominanza del settore militare e dei paesi in via di sviluppo rispetto ai settori aerospazio e industriale, specialmente rispetto al settore industriale per i costi di ricerca e sviluppo ancora non competitivi rispetto al tradizionale impiego dell’energia. Anche nel settore commerciale è prevista una notevole ricaduta per le interessanti possibilità di applicazione in numerosi settori di impiego della Energi Harvesting.
Figura 1: Potenziale impiego della Energy Harvesting nel mercato internazionale
Attualmente nella raccolta di energia la trasduzione dell’energia solare la fa da padrona nel mercato mondiale; questa tipologia di raccolta di energia ambientale si suddivide in due ambiti applicativi: applicazioni della trasduzione fotovoltaica di piccola scala relativamente all’utilizzo di piccole superfici di pannello fotovoltaico per alimentare i dispositivi elettronici di basso consumo di energia, mentre si parla di impiego del fotovoltaico su scala intermedia per l’alimentazione di nuclei abitativi al livello privato, mentre s’intendono applicazioni su larga scala l’utilizzo di pannelli fotovoltaici per l’alimentazione di medie centrali elettriche o sottostazioni. Nel grafico di figura 2 viene riportata la corrente elettrica erogata da pannelli fotovoltaici (al seguente link una panoramica degli articoli sul fotovoltaico) e la corrispondente potenza elettrica in funzione della tensione di funzionamento richiesta.
Figura 2: Conversione dell’energia solare dei trasduttori fotovoltaici.
Le tecnologie intermedie dei trasduttori
Appartengono a questa categoria i trasduttori utilizzati nella raccolta di energia ambientale da sorgenti cinetiche, termali, biochimiche. I trasduttori specializzati nella raccolta di energia da sorgenti cinetiche sono i trasduttori Elettromagnetici-Vibrazionali e i trasduttori MEMS (Micro-ElectroMechanical Systems) Piezoelettrici-Microgen, mentre i trasduttori TermoElettrici sono dedicati alla raccolta e conversione di energia termica.
I trasduttori Elettromagnetici-Vibrazionali
Le sorgenti cinetiche danno luogo a movimento e vibrazioni quindi creano energia. Le fonti di energia di vibrazione possono essere originate da vibrazioni ambientali, dal movimento dell’uomo, dal vento, dal movimento dell’acqua. La raccolta dell’energia e la relativa conversione in energia elettrica viene effettuata da trasduttori di vario tipo: elettromagnetici, elettrostatici-capacitivi, piezoelettrici, induttivi. I trasduttori Elettromagnetici-Vibrazionali basano il loro funzionamento sulla legge di Faraday, ovvero, il movimento di una bobina (in questo tipo di trasduttori provocato da una vibrazione) attraverso un campo magnetico costante perpendicolare ad essa, genera un campo elettrico in grado di far circolare una [...]
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Da un punto di vista industriale i sensori termici e MEMS vibrazionali sono decisamente più efficienti, questi ultimi trovano spazio anche nel settore automotive con la cinetica delle automobili. Nei prossimi anni dovrebbero trovare molto più spazio nei vari mercati i sensori RF, impiegati soprattutto nelle soluzioni wireless come ricarica della batteria.