Nuove tecnologie di energy harvesting

Le nuove tecnologie di energy harvesting stanno sfidando il modo in cui i progettisti possono fornire alimentazione a un sistema. Le micro turbine eoliche per cellulari e l'harvesting termico a banda larga per pacemaker stanno creando nuovi modi di produrre energia. Questo articolo prende in esame le tecnologie di energy harvesting più recenti in MEMS e come i progettisti possono sfruttare l'energia generata. Verranno analizzati dispositivi di Linear Technologies, STMicroelectronics e EnOcean.

Dato che i requisiti di alimentazione di sensori e collegamenti wireless diminuiscono, l'energy harvesting sta diventando un modo sempre più significativo di alimentare facilmente i dispositivi presenti nelle abitazioni, nelle fabbriche e anche nel corpo umano. Questo sta stimolando i ricercatori universitari e delle società a cercare modalità differenti di generare energia per l'ambiente, con alcuni approcci completamente nuovi.

La termoelettricità, ovvero la generazione di elettricità dal calore, ne è un esempio e vede impegnate organizzazioni quali il Dipartimento per l'energia degli Stati Uniti che collaborano con BMW e GM per trasformare il calore di scarto prodotto dai motori e gli scarichi in energia per gli impianti elettrici di un veicolo. La NASA usa la termoelettricità per alimentare i rover che su Marte lavorano senza luce, diversamente dalle celle solari. Anche gli harvester di energia piezoelettrica sono estremamente interessanti, in virtù del loro fattore di forma ridotto e della loro alta efficienza. Nel 2022 questi quattro tipi di energy harvester avranno una quota di mercato quasi simile per applicazioni di rilevamento industriale, asseriscono i ricercatori di mercato di IDtechEx. Entro il 2024 il mercato totale per dispositivi di energy harvesting arriverà a USD 2,6 miliardi.


Un approccio completamente nuovo consiste nell'usare dei minuscoli generatori eolici costruiti con la stessa tecnologia a cui si devono gli ultimi accelerometri nei cellulari. Un ricercatore associato e un professore di ingegneria elettrica dell'Università del Texas hanno progettato un micro generatore eolico che genera un'energia eolica che secondo loro potrebbe essere usata per caricare la batteria di un cellulare.


Smitha Rao e il Professor J.C. Chiao hanno progettato e realizzato il dispositivo che, nel suo punto più largo, misura circa 1,8 mm. Vedono centinaia di generatori eolici incorporati in una custodia per cellulare. Il vento, creato muovendo il cellulare o tenendolo verso una finestra aperta in un giorno ventoso, genererebbe un'elettricità che potrebbe essere raccolta dalla batteria del cellulare.

I lavori di Rao in dispositivi micro robotizzati inizialmente hanno stimolato l'interesse di una società di Taiwan che ha chiesto a Rao e a Chiao di studiare assieme nuovi progetti e applicazioni per le tecniche di fabbricazione di microlavorazioni (MEMS) della società che sono state commercializzate per gli accelerometri.

I progetti sviluppati da Rao uniscono i concetti degli origami in layout di dispositivi a semiconduttori convenzionali a livello di wafer, per cui complesse strutture meccaniche mobili 3D possono essere autoassemblate partendo da pezzi metallici bidimensionali utilizzando tecniche di galvanoplastica multistrato planari che sono state ottimizzate dalla fonderia, WinMEMS Technologies. I micro generatori eolici sono efficienti perché la lega di metallo è flessibile e il disegno di Rao è ispirato al minimalismo per la funzionalità.

I micro generatori eolici sono stati testati con successo nel settembre 2013 nel laboratorio di Chiao. I generatori eolici operano in condizioni di forte vento artificiale senza alcuna frattura nel materiale grazie alla resistente lega in nichel e all'intelligente disegno aerodinamico. Il problema accusato dalla maggior parte dei progettisti MEMS è l'estrema fragilità dei materiali, ma l'uso di una lega in nichel evita il problema e rende i dispositivi resistenti e durevoli.

Questo è solo un primo passo, secondo Rao, dato che i micro generatori eolici possono essere disposti in un array tramite i processi in batch. Fabbricare un dispositivo costa quanto fabbricarne centinaia o migliaia su un singolo wafer, il che permette la produzione in massa di sistemi dai costi estremamente contenuti.

Le dimensioni ridotte consentirebbero di realizzare pannelli piatti con migliaia di generatori eolici e montarli sui muri delle case o degli edifici per raccogliere l'energia necessaria per l'illuminazione, la sicurezza o il rilevamento ambientale e le comunicazioni wireless.

Tuttavia, che carichino un cellulare o che siano montati su una casa, gli array di generatori eolici genereranno piccole quantità di corrente, creando potenzialmente variazioni significative che devono essere affrontate dal sistema di gestione dell'energia. Anche se per ridurre parte di queste variazioni può essere usata la batteria di un cellulare, la carica deve essere gestita con cautela. Nel caso di un array di grandi dimensioni che alimenta un'abitazione, la cosa è ancora più difficile.

Dispositivi come LTC3108 di Linear Technology assicurano un'uscita stabile da correnti di ingresso molto basse. Per essere efficiente, l'array di generatori eolici dovrà adattarsi all'intervallo di ingresso dei dispositivi di gestione dell'alimentazione e questo richiederà un'attenta ottimizzazione. Potrebbe esigere tolleranze di ingresso ancora più basse di quelle attualmente disponibili, il che influenzerà la progettazione della prossima generazione di dispositivi di gestione dell'alimentazione.

Anche STMicroelectronics sta presentando applicazioni di energy harvesting con un nuovo chip che integra tutte le funzioni richieste per alimentare i circuiti elettronici e ricaricare le batterie usando una cella solare o un generatore termoelettrico (TEG, Thermo-Electric Generator). La base di questa realizzazione è il suo convertitore boost c.c./c.c. interleaved monolitico in 4 fasi SPV1020 che è progettato per massimizzare l'energia generata dai pannelli fotovoltaici, a prescindere dalla temperatura e dalla quantità di radiazione solare.

L'ottimizzazione della conversione dell'energia è data dalla logica incorporata, che esegue l'algoritmo di inseguimento del punto di massima potenza MPPT (Max Power Point Tracking) sulle celle FV collegate al convertitore. La scatola di connessione dei pannelli FV può alloggiare uno o più convertitori, sostituendo i diodi di bypass e, dato che il punto di potenza massima viene calcolato localmente, l'efficienza a livello di sistema è maggiore di quella delle topologie convenzionali in cui l'MPP viene calcolato nell'inverter centralizzato principale.

Estendendo tale capacità anche ai sistemi TEG, SPV1050 supporta applicazioni con requisiti di potenza da pochi microwatt a diversi milliwatt ed è altrettanto idoneo per applicazioni sia industriali che consumer al chiuso e all'aperto che utilizzano energia solare o termica.

Sono disponibili regolatori sia a 1,8 V che a 3,3 V per alimentare direttamente un microcontrollore correlato o un trasmettitore wireless senza che siano richiesti componenti aggiuntivi.

All'interno del dispositivo, un convertitore buck/boost permette al dispositivo di collegarsi a TEG o a moduli di energy harvesting solare per interno/esterno offrendo un ampio intervallo di tensione in ingresso da 180 mV a 8 V. L'efficienza operativa media del 90% consente una ricarica rapida delle batterie anche a bassi livelli di potenza in ingresso, mentre una precisione MPPT minima del 90% massimizza l'estrazione di energia da fonti solari o TEG. Inoltre, il controllore integrato di ricarica delle batterie usa soglie di sottotensione e fine carica estremamente accurate e offre una logica di controllo sicura per evitare scariche eccessive e prolungare così la durata delle batterie.

Cuore a energia piezoelettrica

Per alimentare il pacemaker che tiene in vita il cuore viene usata una diversa tecnologia, un cristallo piezoelettrico.

Dagli impianti cocleari ai defibrillatori impiantabili, numerosi sono i dispositivi elettronici sviluppati per svolgere diverse funzioni all'interno del corpo umano. Attualmente quasi tutti si affidano a un qualche tipo di batteria che però prima o poi si scarica. Nel caso di un pacemaker, ciò avviene dopo 6-10 anni. La sostituzione della batteria richiede un nuovo intervento chirurgico, che può essere rischioso e costoso.

Ricercatori statunitensi e cinesi hanno sviluppato un impianto piezoelettrico flessibile che sfrutta l'energia prodotta dal naturale movimento del corpo. Il team spera che un giorno questo dispositivo possa fornire l'elettricità necessaria per diversi impianti medicali. I test condotti su vacche e pecore suggeriscono che il loro dispositivo è già in grado di raccogliere dal battito del cuore energia sufficiente per alimentare un moderno pacemaker cardiaco.


Un dispositivo in grado di generare energia potrebbe, in linea di principio, funzionare all'infinito. La fonte energetica più ovvia all'interno del corpo è un movimento regolare come quello del cuore, dei polmoni o del diaframma. Tuttavia, i requisiti per un energy harvester meccanico sono rigidi: deve generare elettricità sufficiente da alimentare l'impianto senza interferire con il movimento naturale del corpo. Un energy harvester collegato al cuore suscita qualche timore, in quanto l'applicazione di pressione all'esterno del cuore potrebbe indurre un battito irregolare, quando è proprio per rimediare a questa condizione che solitamente vengono impiantati i pacemaker cardiaci.

Il gruppo presso l'Università dell'Illinois guidato da John Rogers ha sviluppato un patch piezoelettrico flessibile che raccoglie l'energia meccanica del cuore che batte. L'impianto contiene una pellicola formata da nastri di piombo-zirconato di titanio (PZT) dello spessore di 500 nm circondati da elettrodi in oro e platino. Il PZT è piezoelettrico, il che significa che quando viene piegato sviluppa energia. L'energia sviluppata è usata per caricare una minuscola batteria integrata nel dispositivo e il tutto è incapsulato in uno strato di poliimmide per renderlo biocompatibile.

I ricercatori hanno sperimentato i patch applicandoli con diversi orientamenti sui cuori di pecore e vacche anestetizzate. L'energia sviluppata era quasi esattamente ciò che avevano previsto in teoria e gli impianti non hanno ovviamente interferito con il battito naturale del cuore.

Hanno scoperto che, quando applicati con l'orientamento ottimale sul ventricolo destro, il loro dispositivo generava fino a 0,18 μW/cm². I pacemaker più avanzati possono richiedere appena 0,3 μW, una quantità di energia che il team ha ottenuto impilando più strati piezoelettrici uno sull'altro. Il team ha ricevuto il nullaosta del comitato etico per lasciare i patch al loro posto e risvegliare gli animali, così da poterne monitorare il comportamento nel corso di mesi o anche anni per controllare se i dispositivi continuano a funzionare correttamente senza nuocere indebitamente agli animali. Lo scopo è quello di far funzionare il pacemaker per oltre dieci anni, il che rappresenta una sfida per la biocompatibilità.

L'harvesting dell'energia piezoelettrica viene già usato in applicazioni industriali con dispositivi come Volture V21BL di Midé. Il cristallo risuona con le vibrazioni del dispositivo, generando una corrente sufficiente per alimentare un sensore. Rendere questi dispositivi incredibilmente più piccoli, compresa la gestione dell'energia, e compatibili con il tessuto umano è la sfida che stanno cercando di vincere i ricercatori.

I clic alimentano i collegamenti wireless

Su scala leggermente più grande, l'esperto tedesco di energy harvesting EnOcean ha sviluppato un interruttore a basso costo di energy harvesting che potrebbe alimentare un collegamento radio a 2,4 GHz come quello del sistema Dolphin.


Da un lato, il dimostratore a 2,4 GHz è costituito da un doppio interruttore a basso costo di energy harvesting che integra un chip RF a 2,4 GHz per le comunicazioni con i nodi del sensore e un chip radio NFC (Near Field Communication) per dare ordini all'interruttore. Dall'altro lato, il dimostratore è una scheda con un LED ed elettronica di controllo, che riceve il messaggio On/Off quando l'interruttore viene premuto.

Alimentato dal convertitore di energia elettromeccanica di EnOcean, la pressione di un pulsante viene convertita in una quantità di energia sufficiente a generare il segnale wireless, permettendo comunicazioni dati senza cavi e batterie. Il prototipo unisce anche le funzionalità del trasmettitore con quelle del ricevitore utilizzando uno smartphone. Ciò dischiude molti modi nuovi per gli sviluppatori di sistemi e gli utenti di integrare nella propria rete componenti senza batterie.

Il chip NFC permette agli installatori o anche ai consumatori di configurare l'interruttore tramite un qualsiasi smartphone abilitato per NFC. Dato che gli interruttori non richiedono fili e hanno un raggio d'azione che può arrivare a 3 km, i dispositivi potrebbero trovare impiego in numerose applicazioni industriali o di automazione domestica. Questo è solo uno studio per mostrare che un piccolo interruttore standard di energy harvesting può alimentare un collegamento radio nella banda ISM libera.

EnOcean ha sviluppato anche un middleware basato su Linux con una libreria per interpretare tutti i suoi protocolli radio a bassa potenza e tradurre qualsiasi messaggio dei sensori da un livello logico a un livello IP così che altri dispositivi, server e anche servizi cloud possano elaborarlo. Ciò rientra nella sua espansione per supportare un'ampia gamma di protocolli RF con queste tecnologie di energy harvesting. Ha rilasciato un plug-in per il mercato MiOS per permettere il controllo di transceiver Z-Wave® come ZM5202 utilizzando gli interruttori e i sensori autoalimentati di EnOcean.


Il nuovo plug-in crea un ponte tra EnOcean, un affermato standard nell'automazione wireless degli edifici, e i prodotti wireless residenziali Z-Wave. Questo significa che gli sviluppatori Z-Wave ora possono usare le tecnologie di energy harvesting di EnOcean, dalla generazione fisica a quella solare fino a quella termica. Ciò consente anche agli sviluppatori Z-Wave di attingere alle risorse dei membri della EnOcean Alliance, che ora include 350 società in tutto il mondo.

Conclusione

La riduzione dei requisiti energetici dimostrata da società come EnOcean sta spingendo la ricerca in nuove tecnologie di energy harvesting. Anche se l'idea di un array di minuscoli generatori eolici che producono energia dal vento per un cellulare può sembrare strana, dimostra che la tecnologia MEM tradizionale può essere usata in modi nuovi per generare energia. Ciò avrà un impatto sulla progettazione e sullo sviluppo di chip di gestione dell'energia e sottosistemi che, come i nuovi dispositivi di STMicroelectronics, stanno combinando il supporto per numerose tecnologie di energy harvesting di diverso tipo tramite un ampio intervallo di ingresso. Come dimostra EnOcean, queste tecnologie di energy harvesting ora possono essere collegate alle tecnologie wireless esistenti, come Z-Wave di Sigma Designs, sfruttando un mercato consolidato e diffuso. I progettisti che sviluppano sistemi a bassissima potenza, sia per applicazioni domestiche che industriali o medicali, dispongono di un ventaglio di opzioni molto più ampio per alimentare i dispositivi senza ricorrere alle batterie.