NOVEMBRE 2013
FIELDBUS & NETWORKS
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Fieldbus & Networks
quinamento acustico delle grandi città) sono tutte forme di energia
convertibili in energia elettrica. I dispositivi in grado di convertire il
movimento meccanico in energia elettrica possono essere classificati
a seconda del principio di conversione utilizzato. Tali principi sono
essenzialmente tre: a induzione magnetica, elettrostatico e piezo-
elettrico. Nei convertitori elettromagnetici è presente un sistema a
magnete permanente il cui flusso è concatenato con uno o più av-
volgimenti. Gli avvolgimenti e il magnete costituiscono la coppia
base-massa sismica o viceversa, a seconda del tipo di realizzazione.
Il moto relativo tra la base e la massa sismica, causato dalle vibra-
zioni, induce ai capi dell’avvolgimento una tensione proporzionale alla
variazione nel tempo del flusso magnetico, in accordo con la legge
dell’induzione elettromagnetica.
I convertitori elettrostatici o capacitivi includono una capacità le cui
armature sono solidali, rispettivamente, con base e massa sismica.
Assumendo che la capacità sia mantenuta in condizioni di carica co-
stante, il moto relativo tra le armature causato dalle vibrazioni induce
tra queste una tensione proporzionale alla variazione della capacità
nel tempo. La limitazione fondamentale consiste nella necessità di
una condizione di precarica della capacità, al fine di poter attuare la
conversione.
I convertitori piezoelettrici sfruttano l’effetto piezoelettrico diretto,
ovvero la proprietà di alcuni cristalli di generare una differenza di po-
tenziale quando soggetti a una deformazione meccanica. Si tratta di
un effetto che si verifica su scala nanometrica ed è reversibile. Attual-
mente le sorgenti piezoelettriche rappresentano una delle principali
fonti di energia utilizzabili mediante tecniche di energy harvesting.
Recentemente sono stati
messi a punto materiali pie-
zoelettrici a matrice plastica
polimerica (Pvdf) e continui
sviluppi sono in corso per tro-
vare nuovi materiali e processi
di fabbricazione sempre più
avanzati.
Esistono infine, anche strutture
basate su array di generatori di
potenza Mems. Tali dispositivi
si possono sintonizzare su più
frequenze in modo da ampliare
la banda di frequenze e inclu-
dere anche le vibrazioni am-
bientali che sono solitamente
a bassa frequenza.
- Energia termica
Tutto ciò che è intorno a noi produce calore. Il PC, una lampada,
persino il corpo umano sono esempi di sorgenti di calore. Il calore
è energia in movimento che, se non raccolta e convertita, verrebbe
sprecata. I dispositivi termoelettrici sono in grado di convertire il
calore in elettricità e viceversa secondo due principi fisici: l’effetto
Seebeck e l’effetto Peltier. Il primo è quell’effetto termoelettrico per
il quale, in un circuito costituito da conduttori metallici o semicon-
duttori, una differenza di temperatura genera elettricità. È l’opposto
dell’effetto Peltier dove, invece, è il flusso di corrente elettrica che,
scorrendo tra i due materiali, produce un trasferimento di calore.
Gli odierni dispositivi hanno però due grosse limitazioni: non pos-
siedono un’efficienza sufficientemente elevata e sono realizzati con
materiali rari, quindi relativamente costosi, nonché spesso dannosi
per l’ambiente.
Una differenza di temperatura tra due punti ha come conseguenza
l’instaurarsi di un flusso di energia termica che va dal punto a tem-
peratura maggiore a quello a temperatura più bassa. Il flusso di ca-
lore sarà presente fino al raggiungimento dell’equilibrio termico e
può essere sfruttato per raccogliere energia riutilizzabile. Il processo
di estrazione dell’energia dallo scambio di calore è governato dalle
leggi della termodinamica. Per questo motivo, la massima efficienza,
ossia il rapporto tra il lavoro utile estratto e il calore in ingresso
(legata al limite di Carnot), è molto basso se lo scambio di calore
avviene tra punti con piccola differenza di temperatura.
La massima efficienza idealmente raggiungibile è governata dalla
relazione:
dove Th e Tc sono rispettivamente la temperatura assoluta della
superficie più calda e di quella più fredda del generatore termoelet-
trico. Ovviamente, maggiore è la differenza di temperatura, maggiore
è l’efficienza massima teorica raggiungibile.
I generatori termoelettrici (TEG) sono costituiti da moduli termoelet-
trici che convertono una differenza di temperatura ai capi del dispo-
sitivo e il conseguente flusso di calore che scorre attraverso di esso
in una tensione elettrica (come accennato tramite l’effetto Seebeck).
I moduli termoelettrici sono generalmente costituiti da coppie di
pellet semiconduttori di tipo N e di tipo P, connesse in serie elettri-
camente e poste tra due piastre ceramiche termicamente conduttive.
La polarità della tensione di uscita dipende ovviamente dalla polarità
del differenziale di temperatura attraverso il TEG.
Al termine di questa sintetica panoramica è utile segnalare che il
basso consumo e la possibilità di autoalimentarsi, anche da più sor-
genti contemporaneamente, sono caratteristiche fondamentali dei
nodi costituenti una rete di sensori wireless, i quali rappresentano
un candidato ideale per un ampio spettro di applicazioni e utilizzi:
monitoraggio ambientale, home&building automation, controllo
all’interno di veicoli, rilevamento di intrusioni all’interno di aree
estese o edifici, monitoraggio flessibile e scalabile di dati nel set-
tore industriale, agroalimentare, biomedicale, che appaiono oggi di
così grande interesse.
Esempio di costituzione di un generatore termoelettrico
Esempio di trasduttore
piezoelettrico
