NOVEMBRE 2013
FIELDBUS & NETWORKS
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tempo virtualmente illimitata senza intervento esterno.
Batterie, celle a combustibile e supercondensatori sono i principali
esempi di dispositivi per l’immagazzinamento dell’energia (energy
storage). Le batterie e le celle a combustibile basano il loro funziona-
mento sulla conversione di energia chimica in energia elettrica, i con-
densatori, invece, si basano sul principio della separazione di cariche
elettriche attraverso un mezzo dielettrico costituito, generalmente, da
una pellicola di un polimero o da uno strato di ossido.
Ciascun tipo di dispositivo è caratterizzato da una diversa combina-
zione di densità di potenza e densità di energia. I supercondensatori si
basano sulla separazione delle cariche chimicamente, tramite un’in-
terfaccia elettrificata tra un elettrodo solido e un elettrolita, fornendo
una combinazione di densità di potenza e di energia entrambe ele-
vate. Tra le sorgenti esterne di energia figurano: la radiazione solare,
l’energia meccanica proveniente da vibrazioni, movimento e flussi di
fluidi, l’energia termica sotto forma di gradiente di temperatura, l’e-
nergia elettromagnetica di fondo o deliberatamente immessa in una
regione di spazio per energizzare dispositivi (si parla in questo caso
di ‘tele-alimentazione’).
In generale, per questioni di ragione pratica le potenze sono media-
mente comprese tra 10 μW e 10 mW. Livelli così ridotti richiedono
opportuni circuiti elettronici di gestione dell’energia e architetture in-
novative per il condizionamento dei segnali, intrinsecamente robuste
rispetto a condizioni di alimentazione variabili e poco prevedibili.
Tra tutte le fonti di harvesting, a oggi quelle che risultano più promet-
tenti sono quella solare, vibrazionale e termica; in presenza di un’ot-
tima illuminazione, ricavare energia dal sole rappresenta la soluzione
più versatile ed efficiente. Tuttavia, nel caso questa non dovesse es-
sere presente, lo sfruttamento dell’energia meccanica delle vibrazioni
o dell’energia termica associata a gradienti di temperatura costituisce
la seconda via, spesso con potenzialità di utilizzo anche maggiori. La
matura tecnologia di sfruttamento (generatori piezoelettrici o elettro-
magnetici) e la quasi universale presenza di vibrazioni, seppur a volta
estremamente deboli, di origine sia antropica sia naturale, rappre-
senta un ulteriore vantaggio dell’alternativa piezoelettrica.
Le fonti di energia più utilizzare
Vediamo ora sinteticamente quali sono le sorgenti più utilizzate nel
campo dell’energy harvesting in riferimento ad applicazioni WSN-
Wireless Sensor Network.
- Energia solare
L’effetto fotovoltaico è il fenomeno fisico che si realizza quando un
elettrone presente nella banda di valenza di un materiale (general-
mente un semiconduttore) passa alla banda di conduzione a causa
dell’assorbimento di un fotone sufficientemente energetico incidente
sul materiale. Tale fenomeno è utilizzato nelle celle fotovoltaiche per
la produzione di energia elettrica. La cella fotovoltaica è un dispo-
sitivo costituito da una giunzione P-N di materiale semiconduttore,
solitamente silicio opportunamente trattato, che provvede alla tra-
sformazione dell’energia solare direttamente in energia elettrica.
Tale cella rappresenta l’elemento base nella costruzione di un mo-
dulo fotovoltaico. La versione più diffusa di cella foto-
voltaica, quella in materiale cristallino, è costituita da
una lamina di materiale semiconduttore (il più utilizzato
è il silicio) e si presenta in genere di colore nero o blu,
con dimensioni variabili. I moduli fotovoltaici sono fab-
bricati con diverse tecnologie (silicio monocristallino,
policristallino, a giunzione multipla ecc.) e presentano
caratteristiche corrente-tensione differenti.
Da notare che queste celle sono dispositivi intrinseca-
mente inefficienti, ma sulle curve caratteristiche V-I è
possibile individuare un punto di lavoro ottimale, in cor-
rispondenza del quale la potenza prodotta è massima.
Pertanto, un requisito del circuito di harvesting è essere
in grado di garantire e mantenere il punto di lavoro in
questa zona.
Ovviamente, variando il livello d’illuminazione, varia
anche il punto di massimo, per esempio a causa del mo-
vimento del sole durante la giornata. Ciò costituisce evidentemente
un inconveniente e fa nascere l’esigenza di un Maximal power point
tracker (Mppt) che sappia sopperire al cambiamento delle condizioni
attraverso un continuo aggiustamento del punto di lavoro. Negli im-
pianti solari a grande potenza è una pratica comune implementare
questi sistemi, per esempio tramite l’utilizzo di controllori digitali. Lo
stesso non si può dire nell’ambito delle bassissime potenze (caso ti-
pico delle reti di sensori), nel quale si aggiungono difficoltà tecniche
create dal bilancio energetico estremamente contenuto attribuito alla
dimensione delle celle.
- Energia vibrazionale
Le vibrazioni a bassa frequenza, le vibrazioni meccaniche, il movi-
mento umano, addirittura il rumore acustico (basti pensare all’in-
Principali sorgenti di energia con livelli indicativi di potenza
Principio di funzionamento della cella fotovoltaica
