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EON
EWS
n.
549
-
GENNAIO
2012
convertendo l’energia raccolta
dall’ambiente in energia elet-
trica utilizzabile. Considerato
che interi nodi sensori wire-
less sono ormai in grado di
operare in fasce comprese tra
cent inaia di microwatt e de-
cine di mi l l iwatt , è possibi le
alimentarli tramite fonti non
tradizionali. Si è così arrivati
al recupero energetico che for-
nisce l’energia necessaria per
caricare, integrare o sostitui-
re le batterie in sistemi in cui
queste risultano scomode, po-
co pratiche, costose o perico-
lose. È evidente che si può ot-
tenere una netta riduzione dei
costi di manutenzione potendo
sostituire le batterie non più
ogni 2, bensì ogni 5-7 anni.
Un tipico sistema a recupero
energetico, o nodo sensore wi-
reless (WSN), è costituito da
quattro blocchi (vedi Figura):
1) una fonte di energia ricava-
ta dall’ambiente;
2) un elemento trasduttore e
un circuito di conversione del-
la corrente per alimentare l’e-
lettronica a valle;
3) un sensore che col lega i l
nodo a l mondo f i s i co e un
componente costituito da un
microprocessore o un micro-
controller che elabora le mi-
surazioni e le archivia nel la
memoria;
4) un dispositivo di comunica-
zione costituito da una radio a
corto raggio per la comunica-
zione wireless con i nodi adia-
centi e il mondo esterno.
Tra l e font i di energi a am-
bientale figurano i generatori
termoelettrici (TEG) o le ter-
mopile, collegati a una fonte
che genera calore, ad esem-
pio un condotto dell’aria o un
trasduttore piezoelettrico, col-
legata a una fonte meccani -
ca vibrante come una vetrata.
Nel caso della fonte di calore,
un dispositivo termoelettrico
compatto (comunemente de-
f ini to trasdut tore) può con-
vert i re piccole var iazioni di
temperatura in energia elet-
trica mentre, nel caso delle vi-
brazioni o delle sollecitazioni
meccaniche, l’energia elettrica
viene generata da un disposi-
tivo piezoelettrico. L’energia
prodotta può essere converti-
ta da un circui to a recupero
energet i co e t ras formata in
una forma adatta ad alimenta-
re l’elettronica a valle. Quindi
un microprocessore può atti-
vare un sensore che ef fettua
una misurazione e viene con-
t ro l l a to da un conver t i tore
analogico-digitale in modo da
trasmettere i dat i attraverso
un t ransce i ver a bass i ss imo
consumo con livelli di trasmis-
sione t ipici di 20-30 mA per
1-10 ms.
Le t e cno l og i e d i r e cup e r o
energetico innovative e dispo-
nibi l i sul mercato, ad esem-
pio recupero di energia dal -
le vibrazioni o il fotovoltaico,
producono l i ve l l i energet i c i
ne l l ’ ordine de i mi l l iwat t in
condizioni operative normali.
Se questi livelli energetici pos-
sono sembrare limitati, l ’uti-
lizzo di elementi di recupero
energetico nell’arco di un cer-
to numero di anni consente di
paragonare le tecnologie alle
batterie primarie di lunga du-
rata, sia in termini di fornitura
di energia sia di costi per unità
di energia fornita.
Inoltre i sistemi che prevedono
il recupero energetico possono
ricaricarsi una volta esauriti,
cosa che i sistemi al imentati
da batterie primarie non sono
in grado di fare.
I
n alcuni settori questo me-
todo è s t a to ut i l i zza to con
suc c e s s o : i n f r a s t ru t t ur e d i
trasporto, di spos i t i -
vi medical i wireless,
m i s u r a z i o n e d e l l a
pressione degli pneu-
matici e automazione
degli edifici.
S o p r a t t u t t o i n
q u e s t ’ u l t i m o c a -
so d i spos i t i v i come
sensori di presenza,
termostat i e perf ino
interruttori della lu-
ce utilizzano sistemi
a recupero energeti-
co local izzat i al po-
sto dei cavi di alimentazione e
control lo normalmente asso-
ciati alla loro installazione.
I sensori radio dei sistemi di
automazione degli edifici rap-
pr e s ent ano un ’ app l i caz i one
f ondament a l e de i s i s t emi a
recupero energetico. Prendia-
mo, ad esempio, l ’ impennata
dell’uso di energia negli Stati
Uniti.
Gl i edi f ici sono i pr imi ut i -
l izzatori del la produzione di
energia su base annua e copro-
no il 38% circa del consumo
energetico totale, subito segui-
ti dai settori trasporti e indu-
stria con un 28% ciascuno.
Gli edifici inoltre possono es-
sere suddivisi nelle categorie
‘residenziale’ e ‘commerciale’
che rappresentano, r i spet t i -
vamente, il 17% e il 21% del
38% totale di cui sopra. Il 21%
di consumo energetico attri-
bui to agl i edi f ici residenzia-
l i può essere ul ter iormente
suddiviso: infatti i sistemi di
riscaldamento, ventilazione e
condizionamento (HVAC) co-
s t i tui scono quas i t re quar t i
del consumo energetico tota-
le. Considerato il previsto rad-
doppio del consumo di energia
tra il 2003 e il 2030, l’adozio-
ne di sistemi di automazione
degli edifici consentirebbe di
risparmiare fino al 30% [fon-
te: World Energy, Technology
and Cl ima t e po l i cy out l ook
(WETO) , consorzio di gruppi
di ricerca dell’Unione
Europea].
A l l o s t e s s o mo d o
una rete wireless che
s f ru t t a i l r e cupe r o
energetico può colle-
gare un certo numero
di sensori all’interno
di un edificio in mo-
do da ridurre i costi
de i s i s temi HVAC e
degli impianti elettri-
ci, regolando la tem-
peratura o spegnendo
le luci in zone non
essenziali quando l’edificio o i
locali sono vuoti. Inoltre il co-
sto dell’elettronica a recupero
energetico è spesso inferiore a
quello dei cavi di alimentazio-
ne o della manutenzione ordi-
naria necessaria per sostituire
le batterie; è quindi evidente
il vantaggio economico che si
ot t iene adot tando la tecnica
del recupero di energia. Ciò
nonostante molti dei vantaggi
offerti da una rete di sensori
wireless scompaiono se ogni
nodo richiede una propria fon-
te di al imentazione esterna.
Sebbene i continui sviluppi in
materia di power management
abbiano consentito ai circui-
t i elet tronici di operare più
a lungo per una determinata
al imentazione, esistono del le
limitazioni e il recupero ener-
getico of fre un metodo com-
plementare.
Pertanto il recupero di energia
è un mezzo per alimentare o
integrare nodi sensori wireless
POWER MANAGEMENT
Sistemi di recupero
energetico
Il concetto di recupero energetico esiste da oltre dieci anni, eppure
l’implementazione di sistemi alimentati da energia raccolta dall’ambiente
in un contesto reale è stata lenta, complessa e costosa
T
ONY
A
RMSTRONG
TONY ARMSTRONG,
director of Product
Marketing, Power
Products di Linear
Technology
I blocchi
principali di un
tipico sistema
a recupero
energetico o WSN
L’adozione dei
sistemi
di automazione
degli edifici
consentirebbe
di risparmiare
fino al 30%