Di Vittorio Ferrari, Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione – Università degli Studi di Brescia
Una possibilità consiste nell’utilizzare convertitori multipli differenti assemblati a matrice, con conseguente allargamento della risposta in frequenza equivalente. Una soluzione simile verrà presentata nella Sezione 3. Sono stati anche proposti metodi di incremento di frequenza nel dominio meccanico (up conversion) per traslare la banda di vibrazioni in ingresso verso una regione dove un convertitore di piccole dimensioni è più efficiente. Un’altra alternativa molto promettente è lo studio di fenomeni non lineari per allargare la banda di conversione e migliorare la risposta a vibrazioni a largo spettro e random.
I convertitori termo-elettrici (TE) da gradienti di temperatura sono principalmente costituiti da termopile formate da termocoppie elettricamente in serie e termicamente in parallelo. Ciascuna termocoppia produce una tensione a vuoto proporzionale alla differenza di temperatura applicata secondo il coefficiente di Seebeck della coppia di materiali. La tensione complessiva è la somma delle tensioni parziali. Le comuni celle termo-elettriche usate come componenti di termostatazione a stato solido sono utilizzabili come generatori termoelettrici (TEG).
L’utilizzo di TEG non è nuovo né recente, basti pensare al loro uso accoppiato a sorgenti termiche da radioattività in satelliti spaziali. Ultimamente hanno destato rinnovato interesse per la generazione di energia distribuita per dispositivi elettronici e sensori, tra gli altri, in campo automotive. Gli attuali sforzi della ricerca sono finalizzati a ottimizzare l’efficienza di conversione attraverso il miglioramento delle proprietà dei materiali. Oltre ad un elevato coefficiente di Seebeck è necessario garantire bassa conducibilità elettrica, per abbassare la resistenza interna, e bassa conducibilità termica, per mantenere un gradiente termico più alto possibile.
Gli ultimi due requisiti sono tipicamente inconciliabili nei materiali tradizionali. Recentemente, sono stati sperimentati materiali nanostrutturati a elevata conducibilità per elettroni (bassa resistenza elettrica) e bassa conducibilità per fononi (alta resistenza termica) che hanno dimostrato efficienze dell’ordine del 30-40% di quella di Carnot contro il 15% attuale.
Esempi di prototipi
Presso il laboratorio di Sensori e Strumentazione Elettronica sono in corso ricerche sul recupero energetico e sulle applicazioni all’alimentazione di sensori. Alcuni dei risultati più recenti sono descritti di seguito.
E’ stata progettata l’architettura di un modulo sensore autonomo in cui l’energia delle vibrazioni estratta per conversione piezoelettrica viene utilizzata per alimentare uno o più sensori e i relativi circuiti di condizionamento e trasmissione in radiofrequenza del segnale di misura.
Dal momento che la potenza convertita dalle vibrazioni è insufficiente ad alimentare continuativamente il modulo, l’energia viene accumulata e utilizzata periodicamente. Il modulo opera quindi a funzionamento intermittente con un duty cycle che, per livelli tipici di vibrazione, è compreso tra 0.1 e 1%. L’accumulo dell’energia e il trasferimento sul carico richiede circuiti a bassissime perdite soprattutto per il blocco di rilevazione di livello e commutazione, realizzato a transistori MOS discreti. Un sensore passivo collegato a un oscillatore a rilassamento a basso consumo regola la frequenza di modulazione del trasmettitore. Ciò introduce una dipendenza raziometrica dalla tensione di alimentazione che migliora l’accuratezza nel funzionamento in transitorio. La modulazione è di tipo OOK (On-Off Keying) su una portante RF a 315 MHz, permettendo la trasmissione dell’informazione di misura alla distanza di alcuni metri.
Sono stati realizzati differenti convertitori piezoelettrici basati su film di PZT depositati su cantilever in acciaio come mostrato in Fig.1b e 1c. A seconda delle dimensioni e della massa del convertitore sono state ottenute frequenze di risonanza comprese tra 10 e 500 Hz. Fig.1d mostra un prototipo di sensore autonomo di temperatura basato su un termistore. Fig.2a e 2b mostrano rispettivamente gli andamenti tipici della tensione ai capi della capacità di accumulo di 4.7 µF, dei segnali trasmessi e ricevuti in corrispondenza di un ciclo di funzionamento, e la frequenza del segnale rilevato dal ricevitore esterno al variare della temperatura del sensore. I risultati mostrati si riferiscono all’eccitazione del convertitore in risonanza (40 Hz) con accelerazione di 1 g.
Per allargare la banda equivalente e migliorare la conversione di vibrazioni ad ampio spettro è stata proposta la configurazione MFCA (MultiFrequency Converter Array). Con un opportuno dimensionamento dei convertitori sono state ottenute le risposte sperimentali. A conferma dell’efficacia dell’approccio, il MFCA ha consentito l’attivazione dei cicli di misura e trasmissione anche in condizioni di eccitazione fuori risonanza per ogni convertitore singolo.
Il TEG utilizzato è un dispositivo commerciale con 127 coppie in Bi2Te3 su un’area di circa 9 cm2 e resistenza interna di 7m. Per un salto termico di 10°C la tensione a vuoto e la potenza su carico adattato sono di circa 0.5 V e 10 mW. Una versione miniaturizzata è stata integrata con successo in un apparecchio di cottura innovativo nell’ambito di un progetto Regione Lombardia-Metadistretti coordinato da Bialetti Industrie SpA.
L’evoluzione dei sensori verso i microsistemi integrati si accompagna alla ricerca di soluzioni di recupero energetico miniaturizzate. I più recenti e avanzati sviluppi sono rappresentati dalle tecnologie MEMS basate su silicio.
Conclusioni
La tematica del energy harvesting per sensori e microsistemi è in forte crescita, rapidamente evolvendo da ambito di curiosità scientifica e gadget a tecnologia abilitante con esito commerciale. Essa rappresenta da un lato una proposta di soluzione a esigenze tecniche ben individuate e concrete, dall’altro un’opportunità e una sfida per ripensare in modo innovativo sensori, sistemi di misura e molte delle applicazioni ad essi collegate.
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Riferimenti
[1] C. Kompis, S. Aliwell, ‘Energy harvesting technologies to enable remote and wireless sensing’ Sensors and Instrumentation KTN report, London, June 2008
http://server.quid5.net/~koumpis/pubs/pdf/energyharvesting08.pdf
[2] C. Knight, J. Davidson, S. Behrens, ‘Energy Options for Wireless Sensor Nodes, Sensors, (2008), 8, 8037-8066; DOI: 10.3390/s8128037
http://www.mdpi.com/journal/sensors
[3] V. Ferrari, ‘Sensori e Microsistemi: Verso Dispositivi Autonomi Alimentati dall’Energia Ambiente’, INRIM: Incontri del Giovedì 2009.
http://www.inrim.it/events/tempo_scienza_09.shtml
[4] M. Boroni Grazioli, ‘Sette mosse per innovare’, ETAS, Milano, 2009. EAN/ISBN: 9788845315633
(*) NOTA A PIE’ DI PAGINA: I prototipi e i risultati presentati sono il frutto di ricerche alle quali hanno significativamente contribuito gli Ingg. Marco Ferrari, Michele Guizzetti e Simone Dalola. Parte dell’attività è stata finanziata su fondi MIUR progetto PRIN2007-20078ZCC92 che coinvolge le Università di Brescia, Catania e Perugia.
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