Con il mondo sempre più connesso attraverso l'Internet delle Cose (IoT), ingegneri e progettisti di sistemi devono affrontare una sfida crescente: come alimentare in modo affidabile i miliardi di dispositivi distribuiti tra fabbriche, città, uffici e persino i nostri corpi. Le fonti di alimentazione tradizionali come le batterie possono essere ingombranti, richiedere sostituzioni frequenti e spesso risultare inadeguate in ambienti remoti o difficili da raggiungere.

Entra in scena l'energy harvesting, un approccio rivoluzionario che cattura l'energia ambientale circostante e la converte in energia elettrica utilizzabile. Per gli ingegneri elettrici che si riforniscono di componenti da distributori come OLC e per i professionisti degli acquisti responsabili dell'efficienza della supply chain, comprendere l'energy harvesting sta diventando essenziale. 

Cos'è l'Energy Harvesting?

L'energy harvesting (noto anche come recupero energetico) è il processo di cattura e conversione di piccole quantità di energia da fonti esterne, come calore, movimento, luce o campi elettromagnetici, in energia elettrica. Queste fonti di energia recuperata possono alimentare dispositivi elettronici a bassissimo consumo, come sensori IoT e trasmettitori wireless, eliminando o riducendo al minimo la necessità di batterie o alimentazione via cavo.

Sebbene l'energia generata sia in genere modesta, di norma compresa tra i microwatt e alcuni milliwatt, è spesso sufficiente per le esigenze dei sistemi embedded, soprattutto se abbinata a componenti a basso consumo energetico e a soluzioni intelligenti di accumulo dell'energia.

Ora, esploriamo alcune delle tecnologie di energy harvesting più significative e il loro funzionamento.

Generatori Termoelettrici (TEG)

Come Funzionano

I TEG funzionano in base all'effetto Seebeck, un principio della termoelettricità secondo cui si genera una tensione tra due conduttori o semiconduttori diversi quando tra essi esiste una differenza di temperatura. In sostanza, il calore fluisce dal lato caldo al lato freddo del materiale, e gli elettroni si muovono insieme ad esso, creando un potenziale elettrico.

Questi dispositivi sono costituiti da una serie di materiali termoelettrici disposti in modo da massimizzare l'esposizione al gradiente termico. Maggiore è la differenza di temperatura tra i due lati, più alta è l'uscita elettrica. Per questo motivo, il gradiente termico desiderato dovrebbe essere il più ripido possibile: il più caldo possibile da un lato e il più freddo possibile dall'altro. Naturalmente, entro limiti ragionevoli.

Applicazioni e Rilevanza

Negli ambienti industriali, macchine e apparecchiature generano spesso calore in eccesso. Invece di lasciare che questa energia si disperda nell'aria, i TEG possono recuperarne una parte e convertirla in energia per i sistemi di monitoraggio embedded. Analogamente, nei dispositivi indossabili o medici, i TEG possono sfruttare la differenza di temperatura tra la pelle di una persona e l'ambiente per alimentare i sensori, riducendo la necessità di sostituire le batterie.

Per gli ingegneri, questo significa dover reperire moduli TEG altamente efficienti e IC di regolazione della tensione in grado di funzionare con tensioni di ingresso basse e fluttuanti. Sebbene non comune, un'applicazione dei TEG davvero fuori dal comune si trova nel settore spaziale, dove il decadimento radioattivo genera calore che alimenta satelliti, sonde e rover tramite un TEG. Nel loro articolo "What is Energy Harvesting?", CircuitBread offre un'eccellente panoramica dei TEG ed entra nel dettaglio di come funzionano a livello di semiconduttore.

Energy Harvesting Piezoelettrico

Come Funziona

I materiali piezoelettrici generano elettricità quando sottoposti a sollecitazione meccanica, un effetto della loro struttura cristallina interna. Quando questi materiali vengono piegati, compressi o sottoposti a vibrazioni, producono una tensione sulla loro superficie.

I dispositivi di raccolta piezoelettrici sono generalmente utilizzati in ambienti in cui vibrazioni o movimenti meccanici sono comuni. Possono essere integrati in suole di scarpe, strade, ponti o apparecchiature industriali. I materiali comunemente utilizzati includono quarzo, PZT (titanato zirconato di piombo) e i più recenti polimeri flessibili.

Applicazioni e Rilevanza

Immaginate un ponte intelligente in grado di monitorare lo stato strutturale tramite sensori integrati. Invece di installare linee elettriche o sostituire continuamente le batterie, i dispositivi piezoelettrici possono raccogliere energia dalle vibrazioni naturali causate dal traffico. Nella tecnologia indossabile, ogni passo che fate potrebbe generare energia. Anche se la quantità di energia potrebbe non essere elevata, sarebbe sufficiente a mantenere la carica di un orologio o di un altro piccolo dispositivo.

Nanogeneratori Triboelettrici (TENG)

Come Funzionano

I TENG si basano sull'effetto triboelettrico, per cui i materiali si caricano elettricamente dopo essere entrati in contatto per attrito con un materiale diverso. Quando due superfici si toccano e si separano ripetutamente, come nello sfregamento di tessuti o nel movimento della pelle, le cariche si accumulano e generano una tensione. È interessante notare che, sebbene l'effetto triboelettrico sia noto da secoli, esiste ancora un dibattito sui dettagli sottostanti al suo funzionamento. Almeno per il momento!

A differenza dei materiali piezoelettrici, i TENG possono essere realizzati con una gamma più ampia di materiali, inclusi i comuni polimeri. Questa flessibilità li rende ideali per dispositivi indossabili e tessuti.

Applicazioni e Rilevanza

I dispositivi di raccolta triboelettrici vengono studiati per la prossima generazione di dispositivi indossabili completamente autoalimentati dal movimento umano. Dagli indumenti che monitorano i segni vitali alle superfici che rilevano i cambiamenti ambientali, i TENG potrebbero contribuire a sbloccare paradigmi di progettazione completamente nuovi.

Energy Harvesting a RF

Come Funziona

L'energy harvesting a RF cattura energia dalle onde elettromagnetiche ambientali, come quelle emesse da router Wi-Fi, antenne per cellulari o persino trasmissioni televisive. Un dispositivo di raccolta RF utilizza un'antenna per raccogliere le onde elettromagnetiche, che vengono poi convertite in una tensione DC tramite un circuito raddrizzatore.

L'uscita è generalmente piuttosto bassa, ancora più bassa rispetto alle altre tecnologie già discusse. Ma per le applicazioni a bassissimo consumo, anche piccole quantità di energia possono essere sufficienti a caricare un condensatore e far funzionare in modo intermittente un dispositivo.

Applicazioni e Rilevanza

Uno degli esempi più interessanti riguarda i tag RFID, che raccolgono energia dai segnali RF circostanti. Questi tag possono essere integrati negli imballaggi per monitorare in tempo reale la freschezza, la posizione o la temperatura dei prodotti. Sono visibili in azione anche nelle carte d'identità sempre più diffuse, generalmente utilizzate in applicazioni di sicurezza.

Conclusione: Un Catalizzatore per il Futuro

L'energy harvesting è pronto a rivoluzionare il modo in cui pensiamo all'alimentazione elettronica. Dai dispositivi indossabili ai sensori remoti, dall'automazione industriale agli imballaggi intelligenti, sta rendendo possibili nuovi prodotti più piccoli, più intelligenti e più sostenibili.

Sia per gli ingegneri che per gli acquirenti, collaborare con un distributore che comprenda l'intero ecosistema dell'energy harvesting, dai materiali alla gestione dell'energia fino all'accumulo, sarà fondamentale per una implementazione di successo. In definitiva, l'energia è là fuori. Dobbiamo solo raccoglierla.