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Tutorial AUTOMAZIONE OGGI 88 | SETTEMBRE 2023 AUTOMAZIONE OGGI 448 tensione complessiva del TEG è la somma delle tensioni parziali; le comuni celle Peltier, usate come componenti di termostatazione a stato solido, sono utilizzabili anche come TEG. I TEG sono da tempo impiegati in casi specifici, per esempio in applicazioni spaziali, ma destano oggi rinnovato interesse per l’alimentazione di dispositivi elettronici e sensori da calore disperso. Significativi sforzi tecnologici sono diretti alla mi- niaturizzazione dei TEG e a investigare la fattibi- lità di soluzioni Mems, tuttavia per massimizzare l’energia convertita è necessario ottenere, oltre a un elevato coefficiente di Seebeck, alta conduci- bilità elettrica, per contenere la resistenza interna, e bassa conducibilità termica, per mantenere un gradiente termico più alto possibile. Gli ultimi due requisiti sono difficili da conciliare nei mate- riali tradizionali e con geometrie planari di piccole dimensioni. La ricerca ha recentemente speri- mentato materiali nanostrutturati a elevata con- ducibilità per elettroni (bassa resistenza elettrica) e bassa conducibilità per fononi (alta resistenza termica), che hanno dimostrato efficienze dell’or- dine del 30-40% di quella di Carnot, contro il 10- 15% dei materiali tradizionali. Nel contempo, si rivolge un’attenzione crescente a configurazioni non planari con geometria tridimensionale. Infine, i convertitori per EH elettromagnetico hanno lo scopo di trasformare in potenza elet- trica la radiazione RF di fondo, per esempio as- sociata a reti wi-fi o GSM, o intenzionalmente immessa in un volume di spazio. Il blocco che realizza la conversione è un’antenna, accoppiata a elementi non lineari rettificanti (rectifying an- tenna-rectenna), che preleva energia dal campo RF e la converte associandola a una tensione uni- polare. Considerando i limiti normativi sulle po- tenze emesse per gli apparati di comunicazione RF e la diminuzione della densità di potenza al crescere della distanza dal trasmettitore, l’ener- gia convertita in condizioni normali è tipica- mente insufficiente ad alimentare nodi sensore, tranne che in ambienti dotati di apposite infra- strutture, espressamente dedicate all’energizza- zione elettromagnetica di dispositivi distribuiti. Applicazioni ed esempi Si prevede una forte crescita della applicazioni di energy harvesting, soprattutto in abbinamento ai sistemi IoT (Fonti www.researchandmarkets. com/reports/3745718 e www.iottechnews.com/ news/2023/jan/19/abi-research-predicts-2023-bre- akout-iot-energy-harvesting-startups ). I settori primariamente interessati sono quelli dell’auto- mazione industriale, in particolare per la sensoriz- zazione di componenti, macchinari e processi, dei trasporti, della domotica e, più in prospettiva, dei wearable. In generale, l’accresciuta sensibilità per il tema della sostenibilità trova nel EH una rispon- denza tecnica e una sintonia di fini sia per il rispar- mio energetico diretto attuato nei nodi sensore, sia per quello indiretto, ovvero che si determina nei sistemi in cui i sensori sono installati. In parallelo allo sviluppo di convertitori basati su differenti principi e tecnologie, cresce l’impegno dei produttori di componenti elettronici nel ren- deredisponibili circuiti integrati a ultra-basso con- sumo per power management, trattamento dei segnali e comunicazione RF, in generale, dedicati ad applicazioni di EH. Nel campo del EH solare si registrano progressi nei sistemi di conversione di luce a bassa in- tensità (Fonti https://ambientphotonics.com/ ambient-ces-2023 e www.smkusa.com ), con soluzioni che mirano ad alimentare sensori e dispositivi elettronici in ambienti indoor. Nel campo dei convertitori da vibrazioni e movimento, l’effetto di induzione elettroma- gnetica consente adeguata affidabilità a lungo termine e sono commercialmente disponibili numerose soluzioni compatte (Fonti https:// wepowertechnologies.com e www.kinetron.eu ); altrettanto impiegato è l’effetto piezoelettrico (Fonte https://piezo.com/collections/piezoelec- tric-energy-harvesters ), mentre recenti sforzi di ricerca hanno portato a convertitori Mems pie- zoelettrici innovativi, con frequenze operative inferiori a 25 Hz (Fonte H. Feng et al. Microsy- stems & Nanoengineering (2023) 9, 33). In applicazioni industriali, automotive e domo- tiche, vi sono notevoli prospettive di crescita, specialmente per i convertitori termoelettrici ( www.idtechex.com/it/research-report/thermo- electric-energy-harvesting-2018-2028-appli- cations-markets-players/582 ), che, rispetto ai convertitori da vibrazioni, offrono il vantaggio di non includere parti in movimento. Di contro, va considerato come per ricavare energia non sia sufficiente disporre di una sorgente ad alta (o bassa) temperatura, ma sia necessario man- tenere un’adeguata differenza di temperatura ai capi del TEG, il che tipicamente richiede l’uti- lizzo di dissipatori e limita le prestazioni in spazi a scarso ricircolo di aria. Come esempi, la figura 2 mostra due prototipi di convertitori sviluppati presso l’Università di Brescia in collaborazione, rispettivamente, con il Politecnico di Milano e il CNM di Barcellona. Si tratta, in particolare, di un harvester piezoelet- trico da movimento per applicazioni wearable (Fonte A. Nastro et al. Sensors (2023) 22, 3) e di un TEG in tecnologia Mems con una geometria a diaframma sospeso (Fonte S. Dalola, V. Ferrari Procedia Engineering (2011) 25). In conclusione Alcuni prodotti innovativi basati su EH sono già oggi disponibili sul mercato per estendere la vita operativa delle batterie in applicazioni specifi- che. La sfida per il futuro è quella di sviluppare una nuova generazione di sensori autonomi, ossia energeticamente autosufficienti, capaci di alimentarsi dall’ambiente in condizioni oppor- tune, e di operare per un tempo virtualmente illimitato senza bisogno di alcun intervento. Fig. 2 - Esempi di prototipi: struttura (a) e immagine (b) di convertitore piezoelettrico da movimento per applicazioni wearable; sezione (c) e microimmagine (d) di convertitore termoelettrico in tecnologia Mems