Mouser: L'energy harvesting velocizza l'adozione dell'IoT

I potenziali casi d'uso dell'IoT aumentano di giorno in giorno. La varietà delle applicazioni IoT si amplia grazie agli effetti combinati di numerosi progressi tecnologici, come i microcontrollori a bassissimo consumo e l'apprendimento automatico a bordo rete.

La disponibilità di reti WAN a basso consumo (LPWAN) consente ai sensori di inviare regolarmente segnalazioni da postazioni remote senza richiedere l'alimentazione di rete. Insieme, tutti questi progressi tecnologici eliminano le barriere che in precedenza ne ostacolavano, ad esempio, l'impiego nel campo dell'agricoltura intelligente. L'installazione di sensori alimentati a batteria che misurano l'umidità e il pH del suolo in campi lontani dalle linee elettriche e dalla connettività Wi-Fi diventa ora semplice e economico.

L'IoT senza fili
L'installazione dei dispositivi IoT alimentati a batterie sta riscuotendo rapidamente popolarità con le città intelligenti e le applicazioni per l'agricoltura intelligente, che rappresentano solo due dei numerosi casi d'uso della tecnologia. Tuttavia, la capacità della batteria determina la durata di funzionamento di un dispositivo e dipende interamente dal profilo di consumo energetico del dispositivo. Il costo della sostituzione delle batterie, soprattutto in luoghi remoti, diventa eccezionalmente alto rispetto al costo della batteria stessa. Di conseguenza, non è pratico usare una batteria con una durata inferiore a sei mesi.

Mantenere il microcontrollore e il ricetrasmettitore wireless del sensore in modalità deep sleep il più a lungo possibile prolunga la durata della batteria. Inoltre, il ciclo di lavoro di specifici tipi di sensori IoT può essere relativamente basso. Ad esempio, è improbabile che le letture dell'umidità del suolo in profondità cambino molto in 30 minuti, quindi la lettura ogni mezz'ora fornisce indicazioni ragionevoli. A ogni ciclo, il microcontrollore del dispositivo si sveglia, legge il sensore di umidità e confeziona i dati pronti per la trasmissione. Il ricetrasmettitore deve quindi stabilire un collegamento con la LPWAN e inviare il pacchetto dati. Dopo la ricezione della conferma, il ricetrasmettitore e il microcontrollore possono tornare in modalità di sospensione. Il consumo di picco del dispositivo sarà significativamente più elevato rispetto a quello in alla modalità di sospensione con consumi dell'ordine di qualche µA durante la fase di creazione del collegamento e di trasmissione dati, fino a circa un centinaio di mA per brevi periodi.

Un'attenta gestione dell'energia può conservare la capacità della batteria, ma alla fine la batteria deve essere sostituita o ricaricata.

Tecnologie di energy harvesting
Utilizzare una batteria ricaricabile è una scelta prudente, ma come mantenerla in carica? Da tempo si ricorre a un pannello solare per ricaricare i dispositivi esterni, ma questo non è l'unico metodo per recuperare energia dall'ambiente. Le caratteristiche di bassa potenza di molti sensori per l'IoT consentono di utilizzare batterie con capacità ridotta che richiedono un'energia non significativa per la ricarica flottante. La capacità della batteria ne determina anche le dimensioni fisiche, e mantenere un ingombro ridotto offre anche altri vantaggi. Le nuove tecniche di energy harvesting che producono milliwatt e microwatt di energia si rivelano essere valternative valide.

Energia solare: è già ampiamente utilizzata come eccellente fonte di energia per numerose applicazioni all'aperto e offre anche l'opportunità di raccogliere la luce ambientale all'interno. In ambienti chiusi, l'energia raccolta dipende fortemente dalle fonti di luce disponibili, dalla loro temperatura e dalla loro posizione. Di conseguenza, la quantità di energia raccolta è meno prevedibile e notevolmente inferiore rispetto a quella dei pannelli solari per esterni.

Vibrazioni meccaniche: molti progetti di ricerca illustrano i diversi tipi di energy harvesting dal movimento meccanico. Il movimento può verificarsi occasionalmente, come nel caso delle persone che camminano lungo un ponte, o regolarmente, come la vibrazione naturale dell'alloggiamento di un motore. I sensori di energia includono l'utilizzo di un elemento piezoelettrico per convertire le vibrazioni in energia elettrica e dell'effetto elettromagnetico quando una bobina passa attraverso un campo magnetico. Un altro approccio si avvale di una tecnica elettrostatica basata sull'induzione capacitiva. I sistemi piezoelettrici ed elettromagnetici sembrano essere i più validi.

Energia eolica e marina: questi metodi ricorrono alla conversione dell'energia cinetica del vento o del flusso dell'acqua in energia elettrica. In entrambi i casi, una piccola turbina può generare energia elettrica. Le dimensioni costituiscono un fattore importante per questo approccio di energy harvesting e per la sicurezza delle pale rotanti di una turbina eolica. Tuttavia, l'energia raccolta può essere più che sufficiente per un piccolo sensore IoT, nonostante le limitazioni pratiche.

Energia termoelettrica: l'energia elettrica generata in questo modo sfrutta il principio dell'effetto Seebeck. Essa utilizza la differenza di temperatura tra due piastre isolate di materiali semiconduttori per generare elettricità. È possibile combinare i moduli termoelettrici per sfruttare al meglio le differenze di temperatura, compatibilmente con i vincoli di spazio del dispositivo IoT. Maggiore è la differenza di temperatura, maggiore è l'energia creata; tuttavia, a seconda dell'applicazione, possono esserci delle difficoltà pratiche per raggiungere questo obiettivo.

Radiofrequenze: la raccolta di energia elettromagnetica alle radiofrequenze è un progetto relativamente recente. Con la connettività wireless per dati e voce ormai onnipresente e le numerose stazioni radiotelevisive terrestri, l'opportunità di raccogliere energia in un ampio spettro di radiofrequenze risulta essere molto interessante. La potenza disponibile dipenderà dalla posizione, dalla frequenza e dalla presenza di segnali adatti, ma i produttori di semiconduttori specializzati si stanno ritagliando una nicchia con i circuiti integrati già disponibili. Le ricerche sulle tecniche di harvesting da frequenze ISM, Wi-Fi e cellulari stanno dando risultati promettenti.

Raccogliere l'energia intorno a noi
Con opportunità quasi illimitate per le applicazioni basate sull'IoT, la fornitura di una fonte di energia affidabile rimane una priorità. L'alimentazione dei dispositivi con una batteria ricaricabile, alimentata dalla raccolta di energia da fonti ambientali, rappresenta una soluzione pratica. Per alcune applicazioni, la batteria può essere integrata o addirittura sostituita da un supercondensatore. Quest'ultimo, combinato con una batteria, potrebbe soddisfare i picchi di energia spesso imposti in fase di impostazione e di scambio di collegamenti dati wireless. Diversi produttori di semiconduttori dispongono già di una linea di circuiti integrati per la gestione dell'alimentazione ad alta efficienza e di convertitori DC/DC ottimizzati per l'energy harvesting da più fonti, come quella solare, piezoelettrica e da termocoppia.

Se desiderate saperne di più sull'energy harvesting, visitate il sito: https://resources.mouser.com/energy-harvesting

www.mouser.com

  Richiedi maggiori informazioni…