Energy Harvesting: quando l’energia non costa nulla

In un impianto di monitoraggio ambientale sperduto in una foresta o sul picco di una montagna non è facile né economico gestire un programma di manutenzione e sostituzione delle batterie. Perché, allora, non sfruttare l’energia circostante?

Il corso “Electronics and Communication Industries” che sto svolgendo presso la Facoltà di Elettronica “J. Seebeck” del Politecnico di Tallinn (TTU - Tallinn University of Technology, Tallinna Tehnikaülikool) ha ospitato recentemente uno speaker d’eccezione: si tratta di Tony Armstrong, Director of Product Marketing- Power Products presso Linear Technology Corp. L’intervento di Armstrong si è focalizzato sul tema dell’Energy Harvesting e sui nuovi componenti creati da Linear per sfruttare le sorgenti di energia che ci circondano.

“La tecnologia elettronica ci ha ormai abituati a dispositivi che hanno un basso consumo: telefoni cellulari, terminali palmari, lettori mp3 hanno un’autonomia che si misura almeno in giorni, se non in settimane”, ha affermato Armstrong. “Anche in campo industriale non mancano le applicazioni che, grazie a semplici batterie, possono garantire mesi di funzionamento. E’ il caso, per esempio, delle reti di sensori collegati fra loro in modalità wireless (WSN). Ma sono proprio le batterie a rappresentare un problema”.

Il concetto di ‘Energy Harvesting’, ossia di raccolta dell’energia che in qualche modo l’ambiente mette a disposizione in forma gratuita, sta alimentando un mercato estremamente interessante. Come si legge su Wikipedia, si tratta, in sostanza, di riuscire a sfruttare l’energia solare, meccanica, biochimica, ecc. che i nodi WSN (per proseguire con l’esempio citato) hanno intorno a loro. E i consumi sono talmente bassi che può essere sufficiente utilizzare l’energia creata dal gradiente termico fra il giorno e la notte, o dalle vibrazioni di un ponte di acciaio per caricare le batterie necessarie per alimentare i sensori. 

Le sorgenti più diffuse di Energy Harvesting sono i generatori termoelettrici, piezoelettrici, fotovoltaici, galvanici e magnetici, che sfruttano rispettivamente il calore, le vibrazioni, la luce, l’umidità e il moto. “Possiamo dire che l'Energy Harvesting è il processo per cui l'energia comunemente disponibile nell'ambiente viene catturata e convertita in energia elettrica utilizzabile”, ha spiegato Armstrong. “Questo termine si riferisce di solito a piccoli dispositivi autonomi o alla raccolta di piccole quantità di energia ed è ideale al posto delle batterie che risultano poco pratiche, costose o pericolose da sostituire”.

Nella filiera dell’Energy Harvesting vi era un anello mancante, quello che collega la sorgente di energia agli utilizzatori elettronici (sensori, convertitori A/D o microcontrollori), ma la lacuna è stata ormai colmata. Ad esempio, i nuovi dispositivi elettronici introdotti da Linear sono in grado di ricevere energia da un trasduttore e utilizzarla per alimentare un nodo WSN. In sostanza, installando questi dispositivi e alimentandoli in ingresso con un opportuno trasduttore, scelto in funzione del tipo di energia disponibile in loco, ci si può ‘dimenticare’ il nodo WSN, che continuerà a funzionare per anni senza manutenzione raccogliendo l’energia circostante.

Tra le novità citate da Armstrong, un nuovissimo dispositivo per il prolungamento della durata della batteria DC/DC buck boost a bassissimo consumo con Energy Harvesting. Si tratta dell’LTC3330, una soluzione completa di regolazione che fornisce fino a 50mA di corrente di uscita continua per prolungare la durata della batteria quando è disponibile energia raccolta. L'LTC3330 non richiede corrente di alimentazione dalla batteria se viene fornita potenza regolata al carico dall'energia raccolta e soli 750nA se alimentato dalla batteria in assenza di carico. Il dispositivo integra un alimentatore di Energy Harvesting ad alta tensione e un convertitore DC/DC buck-boost sincrono alimentato da una batteria a cella principale per creare una singola uscita non interrompibile per le applicazioni di Energy Harvesting come quelle delle reti di sensori wireless. 

L'alimentatore di Energy Harvesting, costituito da un raddrizzatore a ponte a onda intera che accetta ingressi AC o DC e da un convertitore buck ad alta efficienza, raccoglie energia da fonti piezoelettriche (AC), solari (DC) o magnetiche (AC). L'ingresso a cella principale alimenta un convertitore buck-boost che funziona da 1,8V a 5,5V all'ingresso quando non è disponibile energia raccolta per regolare l'uscita a prescindere dal fatto che l'ingresso sia superiore, inferiore o uguale all'uscita. L'LTC3330 passa automaticamente alla batteria quando la fonte di Energy Harvesting non è più disponibile.

            

“Gli ingressi di Energy Harvesting dell'LTC3330 funzionano da un range di tensioni da 3V a 19V, AC o DC, rendendo questo dispositivo ideale per un'ampia serie di fonti energetiche piezoelettriche, solari o magnetiche”, ha concluso Armstrong. Le impostazioni di soglia di blocco della sottotensione in ingresso sono programmabili tra 3V e 18V, consentendo all'applicazione di azionare la fonte di Energy Harvesting al punto di trasferimento della potenza di picco. Altre funzionalità includono tensioni di uscita DC/DC e LDO programmabili, limiti di corrente di picco buck-boost, caricatore/bilanciatore dei supercondensatori e un regolatore di derivazione per la protezione degli ingressi (fino a 25mA a VIN >20V).