Effinciency_and_Environment_05_2018

23 Efficiency & Environment - Maggio 2018 Speciale Energy Harvesting erogabile al carico avviene, anche in questo caso, per adattamento di impedenza resistiva RLOAD = RA (Fig.8.2). L’energia raccolta da dispositivi harvesting può essere utilizzata in due principali modalità: • modalità one shot: l’energia raccolta viene immediatamente usata dal carico, • modalità ricarica della batteria: l’energia raccolta viene immagazzinata dentro una batteria secondaria. Modalità one shot Con la modalità one shot si intende il caso in cui la raccolta energetica di un harvester viene completamente usata da un carico prima della successiva raccolta di energia. In questa modalità non si ha la necessità di dotare il sistema di elementi per l’accumulo energetico a lunga durata (batterie ricaricabili o supercondensatori), ma basta la presenza di un condensatore capace di sopportare la tensione di carico. Un’architettura generale per la modalità one shot viene illustrata in Fig.9: l’energia EH rappresenta l’energia raccolta dal circuito di harvesting, mentre l’energia ELOAD rappresenta l’energia effettivamente disponibile al carico. La modalità one shot viene usata in casi in cui l’evento energetico da raccogliere non è continuo o periodico ma è sufficiente ad alimentare il carico. Nel caso di un’alimentazione diretta del carico (supponendo che esso lavori in un intervallo di tensione operativa da Vmin a Vmax), lo schema circuitale più semplice da adottare è lo stesso del precedente dove l’unità di accumulo, viene sostituita da un comune condensatore di accumulo (indicando con VC la sua tensione). Ogni volta che si presenta un evento di conversione energetica il condensatore viene caricato a una tensione VC e il carico assorbirà energia fino a che VC > Vmin. Una volta che VC scende sotto questa soglia il carico smette di funzionare e a quel punto l’energia rimanente nel condensatore viene dissipata. Facendo l’ipotesi che il carico si metta a usare l’energia solamente dopo aver caricato il condensatore, l’energia disponibile al carico per questa architettura è ELOAD = EH - EC, cioè la differenza fra quella prodotta dall’unità di harvesting e quella necessaria a caricare lo stesso condensatore. Nel caso in cui la tensione ai capi della capacità superi la tensione operativa massima del carico VC > Vmax, una soluzione è quella semplicemente di interporre tra i due un regolatore di tensione (per esempio un Low DropOut, LDO). Infatti un classico regolatore LDO è di fatto un dispositivo che regola la tensione di uscita fintanto che la tensione di ingresso non è praticamente uguale alla tensione di uscita stessa. Modalità di ricarica della batteria Non sempre l’energia estraibile da un singolo evento è sufficiente ad autoalimentare un sistema elettronico. In questo caso si ha la necessità di avere una conversione continua o periodica da parte dei dispositivi di harvesting e quindi servono sistemi di accumulo per l’immagazzinamento energetico. Esempi di questa modalità operativa sono dati dalla conversione fotovoltaica in energia elettrica che di fatto è continua e varia in base all’intensità dei raggi solari. Un ulteriore esempio è dato anche dai convertitori piezoelettrici in presenza di continue vibrazioni (Fig.10). Per facilitare il raggiungimento della tensione ottimale in uscita al raddrizzatore, viene inserito un convertitore c.d.-c.d. tra il ponte raddrizzatore e la batteria. Tali convertitori, che vengono implementati in queste situazioni, hanno solitamente lo scopo di emulare condizioni di carico ottimo, massimizzando il flusso di potenza che va alla batteria. Considerando che nel prossimo futuro saranno connessi alla rete con architettura Internet of Things miliardi di dispositivi sensoriali e attuativi è impensabile che tale enorme numero di dispositivi possa essere alimentato a batteria con tutte le problematiche correlate , come e soprattutto quella della sostituzione periodica delle stesse batterie scariche che renderebbero il sensore e l’attuatore praticamente inutile. La soluzione energetica basata sulle batterie, anche se particolarmente efficienti e miniaturizzate, non risolve in maniera adeguata e soddisfacente i requisiti applicativi che stanno, come citato, emergendo in ambito Internet of Things e Internet of Everythings. Quindi la tecnologia brevemente illustrata di energy harvesting rappresenta già oggi un’ottima risposta alle problematiche di tipo energetico che stanno emergendo. Fig. 9 - Esempio di architettura per la modalità one shot Fig. 10 - Esempio di architettura per la modalità di ricarica batteria con sorgente piezoelettrica