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Energy Harvesting: raccogliamo energia pulita

La raccolta di energia è il processo mediante il quale l'energia derivata da fonti esterne viene catturata e immagazzinata per alimentare dispositivi elettronici, con un significativo e positivo impatto economico e ambientale.
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Il concetto di ultra-bassa potenza è stato il più importante criterio di progettazione elettronica negli ultimi dieci anni. I livelli sono diminuiti drasticamente passando da mW a qualche uW in accordo alle modalità di funzionamento. Come diretta conseguenza, si sono sviluppate nuove tecniche di alimentazione per far fronte anche al problema energetico. La combinazione di MCU ultra-low power e raccolta di energia hanno dato luogo ad una vasta gamma di applicazioni che in precedenza non erano possibili, aumentando così il livello di autonomia dei dispositivi elettronici.

Immaginate un mondo in cui ogni casa e villaggio ha la sua fonte pulita di energia elettrica, libero dal costo dei combustibili fossili. Immaginate tutti i mezzi di trasporto con impianti di energia pulita, e nessuna fonte di combustibile. Noi tutti viviamo in un sistema solare con un'enorme quantità di energia che viene inviata sulla terra. L'energia solare è la rappresentanza massima di una forma infinita e pulita.

Un dispositivo che raccoglie energia dall'ambiente con tecniche innovative è conosciuto come "Energy Harvesting", in questo contesto ci sono parecchie forme di energia che provengono da varie sorgenti che con opportuni trasduttori riescono a produrre sufficiente corrente elettrica per alimentare un dispositivo. Il pannello fotovoltaico per esempio è il classico trasduttore che converte l'energia solare in energia elettrica continua. Le applicazioni coinvolgono maggiormente le situazioni di alta potenza con le soluzioni stand-alone e grid-connected di impianti fotovoltaici.

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Figura 1: schema a blocchi generale di un sistema per la raccolta di energia

Oltre a quella solare, altre sorgenti energetiche alternative sono la termica, cinetica, chimica e RF; tutte disperse liberamente nell'ambiente. L'energia RF è anche dovuta alle varie sorgenti secondarie artificiali dei dispositivi mobile e sistemi radio.

La raccolta di energia termica è il processo di conversione di gradienti termici in energia elettrica attraverso generatori termoelettrici (TEG). Questi consistono in una serie di termocoppie esposte ad un gradiente di temperatura: un lato del TEG caldo e l'altro lato freddo, generando così energia elettrica. 

Un modulo termoelettrico è costituito da due materiali a semiconduttore, uno di tipo N (carica negativa), e uno P (carica positiva). Una corrente elettrica continua fluirà nel circuito quando vi è una differenza di temperatura tra i due materiali.

L'energia può essere generata da gradienti di temperatura di pochi gradi, ad esempio tra un corpo umano e l'aria circostante, o da gradienti con centinaia di differenza di °C su tubi di scarico ad alta temperatura.

Il termogeneratore si basa sull'effetto Seebeck che produce una corrente elettrica proporzionale alla differenza di temperatura tra le giunzioni calde e fredde. Il coefficiente di un materiale per generare una tensione per unità di temperatura è noto come coefficiente Seebeck (indicato in V / °C).

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Figura 2: un esempio schematico del termogeneratore

Per garantire una fonte di alimentazione stabile, nei sistemi elettronici vengono impiegati circuiti di power management  per ottimizzare il flusso di energia, attraverso anche sistemi MPPT per la valutazione del punto di massima potenza (Maximum Power Point Tracking). La regolazione di tensione è una parte importante di qualsiasi soluzione di energy harvesting, poiché garantisce una fornitura stabile di energia elettrica al corrispondente carico.

L'effetto piezoelettrico converte la deformazione meccanica in corrente elettrica o tensione. Un movimento umano, vibrazioni sismiche e rumore acustico sono solo alcuni esempi. La maggior parte delle fonti di energia piezoelettrica produce valori dell'ordine di milliwatt, troppo piccoli per un'applicazione di sistema, ma abbastanza per i dispositivi in micro scala portatili come ad esempio alcuni orologi da polso a carica automatica disponibili in commercio.

Raccogliendo energia da fonti RF, è possibile dar vita ad una nuova generazione di dispositivi wireless ultra-bassa potenza (ULP), quali sensori dell'Internet degli oggetti per applicazioni a bassa manutenzione come il monitoraggio remoto.

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Figura 3: un esempio di antenna RF per la raccolta di energia

Vi è abbondanza di energia nell'ambiente che può essere convertita in energia elettrica, aprendo così nuove applicazioni in località remote, subacquee, e in altri luoghi di difficile accesso, dove le batterie e l'alimentazione convenzionale non sono realistiche. Nello stesso tempo con il miglioramento delle tecnologie ci si appresta a sostituire totalmente le batterie nei dispositivi low power con notevoli vantaggi sui costi. La raccolta di energia è anche in gran parte esente da manutenzione ed è rispettosa dell'ambiente.