Effinciency_and_Environment_05_2018

22 Efficiency & Environment - Maggio 2018 Speciale Energy Harvesting • il resistore Rc espresso nel dominio meccanico rappresenta le perdite meccaniche; • il condensatore Ck espresso nel dominio meccanicosi riferisceall’elasticitàdel trasduttore; • il condensatore Cp espresso nel dominio elettrico è il valore di capacità elettrica misurato tra i due elettrodi del dispositivo piezoelettrico. Come si nota, la sorgente in questo modello è di tipo c.a. e quindi per riuscire a immagazzinare energia serve una rettificazione del segnale. Inoltre questo modello offre un’impedenza d’uscita complessa e inoltre la potenza d’uscita dipende sia dalla frequenza di eccitazione (applicazione della forza F) sia dal carico. Termico L’energia termica rappresenta il calore generato dal moto e dalla collisione degli atomi all’interno di un corpo. Questa fonte energetica può essere raccolta sfruttando i gradienti termici originati dal passaggio di calore da un corpo caldo a un corpo più freddo (per esempio, il calore indotto da un fluido verso un dissipatore). La potenza estratta da questo tipo di sorgente energetica varia dalle centinaia di μWai mW. Il dispositivo di harvesting utilizzato è la cella termoelettrica (Fig.5). Tale cella, costituita sia da materiale di tipo p sia da materiale di tipo n, sfrutta l’effetto Seebeck per la conversione energetica: quando una differenza di temperatura viene applicata ai capi di questi materiali, il gradiente termico T permette agli elettroni e alle lacune di circolare, formando una differenza di potenziale e permettendo lo scorrere di una corrente quando il circuito elettrico viene chiuso. La tensione d’uscita di una cella termica dipende dal materiale che la compone ed è proporzionale alla differenza di temperatura T ai suoi capi. La relativa caratteristica I-V viene illustrata in Fig.6.1. Il materiale solitamente usato per creare le regioni p e n (tellururo di bismuto) consente di ottenere tensioni d’uscita di 0.2 mV/K per cella, mentre valori più elevati si ottengono ovviamente se il convertitore termoelettrico utilizza molteplici coppie p/n (20 mV usando 10 celle con T =10 K). Il modello equivalente della sorgente è rappresentato da un generatore Thévenin con una resistenza d’uscita RT, mentre la potenza massima erogabile al carico avviene per adattamento di impedenza resistiva RLOAD = RT (Fig.6.2). Radio frequenza Lapresenzadi segnali inradio frequenzaèuna risorsaenergetica quasi sempre disponibile nell’ambiente (reti wi-fi, reti mobili, segnale TV ecc…) e la sua raccolta richiede livelli sufficienti di densità di potenza per essere efficace. Questo è dovuto al fatto che l’energia in RF, contrariamente agli altri tipi di fonti energetiche, viene generata e regolata di proposito. A ogni banda di frequenza nello spettro sono stati associati degli standard che determinano la potenza RF concessa per la trasmissione. In base alla posizione della sorgente RF, la densità di potenza può attualmente variare da 0.01 μW/cm 2 a qualche centinaio di μW/cm 2 , prevedendo valori maggiori in futuro seguendo il trend di usare nuove bande di RF. La sorgente RF è una sorgente alternata e quindi è necessaria una rettificazione del segnale per l’immagazzinamento dell’energia. Il dispositivo di harvesting utilizzato è la rectenna, ovvero una antenna con raddrizzatore integrato (Fig.7). La tensione d’uscita di una rectenna è proporzionale alla densità di potenza incidente SRF: la sua caratteristica I-V è rappresentata in Fig.8.1. Il modello equivalente della sorgente è rappresentato anche in questo caso da un generatore Thévenin con una resistenza d’uscita RA, mentre la potenza massima Fig. 4 - Modello elettromeccanico equivalente di un generatore piezoelettrico Fig. 5 - Conversione energetica di una cella termica ed esempio di un convertitore termico Fig, 8.1 e 8.2 - Caratteristica I-V di una rectenna e Maximum Power Point RF Fig. 7 - Broadband (2-18 GHz) spiral rectenna, 3.5 mW di potenza estratta Fig. 6.1 e 6.2 - Conversione energetica di una cella termica e Maximum Power Point termico