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Tutorial SETTEMBRE 2023 AUTOMAZIONE OGGI 448 | 87 oppure essere accumulata e trasferita periodi- camente al carico sotto forma di impulsi di po- tenza ciclici a basso duty cycle. La conversione fotovoltaica è un ambito sufficien- tementematuro e l’alimentazione di nodi sensore è tecnica consolidata, quando si può contare su esposizione a luce solare per un tempo sufficien- temente lungo. I convertitori meccano-elettrici (ME) da vibrazioni e/omovimentodi una struttura sono tipicamente costituiti da una base, solidale con la struttura, collegata a una massa sismica attraverso un elemento elastico. Vibrazioni e/o movimentodella struttura determinano unmovi- mento relativo tra base e massa sismica con con- seguente deformazione dell’elemento elastico. A seconda dell’effetto di conversione impiegato, il movimento o la deformazione producono una corrispondente uscita elettrica. I convertitori maggiormente studiati e utilizzati sono quelli basati su effetto di induzione elet- tromagnetica, effetto elettrostatico ed effetto piezoelettrico. Nei convertitori a induzione elet- tromagnetica, un magnete permanente è ac- coppiato a uno o più avvolgimenti a costituire il sistema massa sismica-base. Il moto relativo tra base e massa sismica, causato da vibrazioni/ movimento in ingresso, produce per induzione ai capi dell’avvolgimento una tensione pro- porzionale alla variazione nel tempo del flusso magnetico. Per ottenere livelli di tensione ade- guati sono necessari avvolgimenti con un nu- mero di spire sufficientemente alto. I convertitori elettrostatici comprendono una capacità le cui armature sono solidali rispettiva- mente con base e massa sismica. Se la capacità è mantenuta in condizioni di carica costante, vibrazioni/movimento in ingresso producono un moto relativo tra le armature e una conse- guente tensione proporzionale alla variazione nel tempo della capacità. La necessità di garan- tire una condizione di precarica della capacità è una limitazione importante. Come soluzione, i convertitori elettrostatici sono utilizzati in tam- pone all’alimentazione a batteria, oppure incor- porano elettreti per la carica della capacità. I convertitori piezoelettrici, invece, sfruttano l’ef- fetto secondo cui alcuni materiali soggetti a una deformazione meccanica rispondono con una carica superficiale indotta. Tipici materiali pie- zoelettrici sono: quarzo, ceramiche ferroelettri- che polarizzate della famiglia del PZT (zirconato titanato di piombo), film plastici quali il Pvdf (polivinildenfluoruro), AlN e ZnO. Il materiale piezoelettrico costituisce l’elemento elastico del convertitore che si deforma in risposta a vibra- zioni/movimento in ingresso. Sono possibili dif- ferenti configurazioni, le più semplici delle quali si basano su elementi in flessione, quali travi a doppio incastro o a estremo libero (cantilever). Dal punto di vista delle tecnologie di fabbri- cazione dei convertitori ME, sono attualmente sperimentate soluzioni sempre più compatte e miniaturizzate, anche verso dispositivi Mems. In generale, tuttavia, i convertitori basati su equi- paggio sismico non scalano favorevolmente al diminuire delle dimensioni. Infatti, fissata la densità energetica della sollecitazione mec- canica in ingresso, la potenza disponibile de- cresce con il volume. Inoltre, l’uscita elettrica massima è prodotta in condizioni di risonanza e convertitori piccoli hanno frequenze proprie tipicamente più elevate delle frequenze asso- ciate alle vibrazioni delle sorgenti più diffuse (non oltre pochi kHz), con un conseguente significativo disadattamento. In aggiunta, vi- brazioni/movimento ad ampio spettro, o con contenuto armonico tempo variante, spesso presenti nelle applicazioni reali, rappresentano condizioni di funzionamento non ottimale, a detrimento delle prestazioni di conversione energetica. La ricerca è attualmente in corso per ovviare a queste importanti limitazioni; in particolare, si studiano convertitori innovativi, basati per esempio su fenomeni non lineari, per allargare la banda di conversione verso le basse frequenze e migliorare la risposta a solle- citazioni a largo spettro e random. I meccanismi di conversione da sorgenti acusti- che e da moto di fluidi, per esempio flusso di aria o liquidi, prevalentemente utilizzano confi- gurazioni basate sugli effetti ME sopra descritti. I convertitori termo-elettrici (TE) da gradienti di temperatura sono principalmente costituiti da termopile formate da termocoppie elettri- camente in serie e termicamente in parallelo. Ogni termocoppia del generatore termoelettrico (TEG) produce una tensione a vuoto proporzio- nale alla differenza di temperatura applicata se- condo il coefficiente di Seebeck dei materiali. La Fig. 1 - Schema a blocchi di un sensore wireless alimentato da energy harvesting Tabella - Principali effetti di conversione utilizzati in energy harvesting ed esempi di potenze elettriche ricavabili