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- ELETTRONICA OGGI 438 - LUGLIO/AGOSTO 2014
DIGITAL
ENERGY HARVESTING
metallico che oscilla tra le superfici calda e fredda.
La punta del cantilever caldo entra in contatto con
una superficie fredda, ovvero il dissipatore: a que-
sto punto perde rapidamente il suo calore e ritorna
nuovamente in contatto con la superficie calda (Fig.
3). Questa oscillazione prosegue finché vi è una dif-
ferenza di temperatura sufficiente – da pochi gradi
a parecchie centinaia di gradi – tra le due superfici.
Le strutture a cantilever hanno dimensioni pari a solo
1 mm² e generano una potenza di valore compreso
tra 1 e 10mW per dispositivo: in ogni caso è possibile
collegare un migliaio di questi dispositivi a un sub-
strato di area pari a 1 pollice quadrato, generando in
tal modo una fonte capace di fornire una potenza di
uscita relativamente alta. A causa del rapido tempo
di ciclo del cantilever, gli sviluppatori prevedono di
raggiungere livelli di efficienza compresi tra il 10 e il
30% - percentuali molto migliori di quelle degli attuali
dispositivi per l’accumulo di energia di tipi termoelet-
trico e piezoelettrico.
Nano antenne
Le celle fotovoltaiche, sebbene siano i più diffusi si-
stemi per l’accumulo di energia, non risultano parti-
colarmente efficienti. Le migliori celle fotovoltaiche
monocristalline – caratterizzate da un’efficienza te-
orica massima del 30% – raggiungono livelli di effi-
cienza del 20%. Scienziati dell’Università del Missou-
ri e dell’ Idaho National Laboratory hanno sviluppato
un film fotovoltaico flessibile in grado di garantire
un’efficienza teorica massima del 90%.
Il film in questione è costituito essenzialmente da una
serie di nano-antenne ciascuna delle quali è sinto-
nizzata su una specifica frequenza della radiazione
luminosa. Invece di generare singole coppie elettro-
ne-lacuna, come accade nel caso del materiale delle
celle fotovoltaiche, il campo elettromagnetico pro-
veniente dal sole induce una corrente nell’antenna
che
è
raccolta nel punto di alimentazione, rettificata
e immagazzinata. I collettori NEC (Nanoelectronic
Electromagnetic Collector) possono essere confi-
gurati sotto forma di superfici selettive rispetto alla
frequenza per assorbire in maniera efficiente l’intero
spettro solare. In alternativa questi collettori possono
essere configurati come filtri passabanda riflettenti
centrati su una lunghezza d’onda di 6,5
μm
: in questo
modo essi possono assorbire i raggi infrarossi, rici-
clando il calore dissipato da motori, fornaci o altre
fonti di potenza ad alta temperatura.
Sebbene siano stati già realizzati prototipi funzionan-
ti di dispositivi NEC utilizzando come substrato sia
il silicio sia il polietilene, la produzione di massa a
costi ragionevoli richiede ancora tempo e ulteriori
finanziamenti. I ricercatori prevedono di realizzare
un prodotto che rappresenti un complemento dei
tradizionali pannelli fotovoltaici e sia in grado di cat-
turare l’energia a infrarossi attualmente inutilizzata.
La disponibilità sotto forma di film ne permette l’uso
all’interno di infrastrutture e materiali per costruzio-
ne. I collettori NEC, inoltre, possono essere integrati
in materiali polimerici ed essere incorporati nel rive-
stimento di dispositivi elettronici consumer per cari-
care su base continua le batterie.
Uno sguardo al futuro
Lo sviluppo di MCU a bassissima dissipazione ha con-
tribuito alla creazione di un mercato, quello dell’energy
harvesting, in continua e rapida espansione dal quale
siamo sempre più dipendenti. La prima ondata di dispo-
sitivi per l’accumulo e il riutilizzo dell’energia ha portato
alla realizzazione di sensori wireless a basso consumo
divenuti sempre più pervasivi. Ma l’effetto domino è de-
stinato a proseguire nei mercati consumer, industriale
e medicale, generando lo sviluppo di applicazioni che
solo ora possiamo iniziare a immaginare. Sia che si tratti
di sviluppare dispositivi portatili alimentati a batteria sia
che si intenda migliorare l’efficienza energetica di siste-
mi di più ampie dimensioni, tutti i progettisti dovrebbero
prevedere l’impiego di tecniche di “energy harvesting”
nei loro prodotti. Nel sito Energy Harvesting di Mouser
Electronics è possibile trovare l’ampia gamma di prodot-
ti e soluzioni che la società mette a disposizione per lo
sviluppo di queste applicazioni.
■
Tabella 1 - Quantità di potenza disponibile
dalle diverse fonti di “energy harvesting
Fonte
Potenza della fonte
Energia accumulata
Luce
Interna
0.1 mW/cm²
10 µW/cm²
Esterna
100 mW/cm²
10 mW/cm²
Vibrazioni/
Movimento
Persone
0.5m at 1 Hz
1m/s² at 50 Hz
4 µW/cm²
Macchine
1m at 5 Hz
10m/s² at 1 kHz
100 µW/cm²
Termica
Persone
20 mW/cm²
30 µW/cm²
Macchine
100 mW/cm²
1-10 mW/cm²
RF
GSMBSS
0.3 µW/cm²
0.1 µW/cm²
