Oscillatori elevatori di tensione per il recupero di micropotenze ambientali da sorgenti a radiofrequenza

CAPITOLO1
GENERALITÀ SUL RECUPERO DI ENERGIA
Nullasicrea,nullasidistrugge,tuttosi
trasforma.
ANTOINE DE LAVOISIER
Cent’anni fa era un lusso avere la distribuzione di corrente elettrica nelle
abitazioni civili, era anzi normale vivere senza l’ausilio di strumentialimentati
dall’energiaelettrica(chenonesistevano). Oggi,dopounpaiodidecenniincui
l’introduzione di ogni genere di elettrodomestico e apparecchiatura elettronica
ha forzato la popolazione a cambiare le proprie abitudini, lo spreco di energia
avviene di continuo, anche in questo momento: il computer e il modem Wi-Fi
sono accesi mentre nessuno li sta usando; lo smartphone è inoperoso, ma pur
sempresveglio;magaric’èancheunalampadinaaccesa,edèpienogiorno.
Lavoisier suggerisce che non possiamo sperare di accendere una lavatrice
con la misera energia del campo elettromagnetico della comunicazione Wi-Fi
chesidisperdedagliapparecchiinstandby: però,possiamorecuperarel’energia
dispersanell’ambiente (energy harvesting) dai dispositivi elettronici e meccanici
e farci qualcosa di buono, ad esempio caricare una piccola pila che alimenta
un orologio, o magari un sensore, o un apparecchio medicale impiantato nel
corpo. Meglioancorasetuttociòfunzionassesenzabatteria-tampone;acostodi
essereoperativosolomentrei trasmettitoriWi-Fi oil cellulare sonoaccesi, quel
dispositivoavràvitaeterna.
Prima di entrare nel dettaglio degli studi effettuati, bisogna evidenziare la
particolare difficoltà di lavorare con micro-potenze, cioè quelle ottenute da ten-
OSCILLATORI ELEVATORI DI TENSIONE PER IL RECUPERO DI MICROPOTENZE AMBIENTALI
DA SORGENTI A RADIOFREQUENZA
sioni inferiori a 1 volt e correnti nell’ordine delle decine di microampere: in
questecircostanze, e senzal’aiuto esternodigeneratoridialcun tipo, l’impiego
di dispositivi attivi a semiconduttore è particolarmente ostico, visto che la ten-
sionedisogliadiuntransistorgeneralmenteènellostessointervalloditensioni
recuperate dall’ambiente. Queste difficoltà sono state da sprone a ricercare e
sperimentare le più diverse configurazioni circuitali con un uso intenso del si-
mulatore LTSpice, per trovare quelle che meglio consentissero la fattibilità del
progetto.
1.1 Energyharvesting
Unodegliobiettividiprogettoperalcuneapplicazionielettronicheèotteneredi-
spositivialungadurataconunaridottanecessitàdimanutenzionedellerelative
alimentazioni, specialmente quando essa sarebbe onerosa, difficile o impratica-
bile. Nello specifico, è il caso di oggetti nati per funzionare essenzialmente da
soli, senza connessioni alla rete di energia elettrica; a prima vista l’uso di bat-
terie sembrerebbe indispensabile, invece nuove tecnologie stanno correggendo
questasituazioneampliandoneleprospettive.
Apparecchiature medicali, particolarmente invasive perché da impiantare
nelcorpoumano edelicate in qualità disupervisoridifunzioni vitali (ad esem-
pio,unpacemaker),nondovrebberoaffidarsiaunacomunebatteria,colrischio
disoffrirneitempidiscarica,mettendoeventualmentearischioilpaziente. Sen-
sori ambientali, per monitoraggio remoto, dispositivi militari e industriali, di-
spositivivestibilioppuresistemienergeticamenteautonomidifficilmenteavran-
no un grado di rischio implicito tanto elevato quanto gli apparecchi medicali:
eppure, essi costituiscono tanti validi esempi di dispositivi che avrebbero biso-
gnodi alimentazione autonomaperlungo tempoperchésarebbe altrimenti dif-
ficile ocostosissimoprocedereaunasostituzionedellebatterie,quandofossero
esaurite. Un altro aspetto da considerare, oltre al desiderio di avere la durata
maggiorepossibiledeglioggetti,èilproblemafisicodellebatterie,ingombranti
epesantispecieselacaricadaconservareènecessariaperaverelunghedurate.
Negliultimianni,studisemprepiùapprofonditihannodimostratochel’am-
biente è una forma di energia a bassa densità e alta disponibilità [7], per cui è
possibile progettaresistemiche alternino brevi periodidi attività e utilizzo del-
l’energia, per svolgere i propri compiti quando necessario, a lunghi periodi di
standbyabassissimapotenzadissipata,perminimizzare glisprechi. Analizzan-
do alcuni dispositividi usocomune traquelli che necessitanodi alimentazione
2 MarcoAlessandrini
OSCILLATORI ELEVATORI DI TENSIONE PER IL RECUPERO DI MICROPOTENZE AMBIENTALI
DA SORGENTI A RADIOFREQUENZA
autonoma, si nota che il range di potenza per farli funzionare è compreso tra 1
microwatte1milliwatt (tabella1.1). Cisonodueapprocciconcorrenti:
• aumentare la densità di energia immagazzinabile nelle batterie per dimi-
nuirneledimensionieaumentarnelacapacità;
• recuperareenergiadall’ambientenelmodopiùefficientepossibile.
Ilruolodellebatterieèdeterminanteinqualsiasisistema,perchélasceltaimpo-
ne dimensioni e costi degli apparecchi che le contengono. Inoltre, nonostante
negli ultimi quindici anni la densità di energia conservabile in esse sia aumen-
tata di circa tre volte [1], si continuano a cercare alternative a causa delle loro
caratteristichediingombro e discarsadurata, che ne pregiudicaspessoil buon
funzionamento. Per questi motivi, dopo le batterie al nichel-metal-idruro (Ni-
MH) ormai in disgrazia, alle batterie agli ioni di litio che ormai dominano il
mercato informatico e telefonico si stanno affiancando le batterie a stato solido
a film sottile di litio e i supercondensatori (BestCap, UltraCap): le prime sono
pensateperl’integrazioneinchipdiqualsiasiformaedimensione,contentativi
di avere forme flessibili per il massimo adattamento, a fronte di una maggiore
impedenzaeconseguentitempiminoridiscaricamentorispettoagliionielettro-
litici;isecondisonoilpuntodicongiunzionetralabatteriaeilcondensatore,in
gradodifornirearichiestaunpiccodipotenzadiduratacompresadallefrazio-
nidisecondiadalcuniminuti. Questetipologiedimaterialisonoconfrontatein
tabella1.3,mentreinfigura1.1sonocomparatirispettoalconsumodipotenzae
alla durataneltempo. Intaletabella, èinteressantenotarechel’accoppiamento
traunabatteriaricaricabileditipoqualsiasieunsistemadirecupero(rechargea-
ble + harvester)è quello che ha la durata maggiore nel tempo, potenzialmente
infinita.
Figura1.1: Comparazionedisistemidiimmagazzinamentodienergia[1]
Capitolo1. Generalitàsulrecuperodienergia 3
OSCILLATORI ELEVATORI DI TENSIONE PER IL RECUPERO DI MICROPOTENZE AMBIENTALI
DA SORGENTI A RADIOFREQUENZA
Visteledifficoltàd’usodellebatterieingenere,sistannocercandoalternative.
Una di esse consiste nel fornire energia a un dispositivo attraverso un collega-
mentosenzafili. Supponiamoilcasodiunsensornode,cioèilnododiunarete
di sensori wireless, cioè un tipico caso di elementi che devono funzionare per
anni e che possono essere manutenuti con difficoltà a causa della loro grande
quantità all’interno della rete. Il nododi rete wireless, nella suaglobalità, deve
essereingradodi:
• agganciare il segnale trasmessogli, che è contemporaneamente la sua sor-
gentedialimentazione;
• rilevareilparametrofisicoochimico,cioèsvolgereilsuolavorodisensore;
• elaborare digitalmente la rilevazione, per trasformare la misura in infor-
mazione;
• trasmettere l’informazione disponibile a dispositivi esterni, attraverso un
moduloradio.
Si tratta di un caso diametralmente oppostorispettoal recupero di energia dal-
l’ambiente
1
, eppure si basa sugli stessi principi, nonostante i parametri di pro-
gettodell’alimentazionewireless(frequenzaeintensitàdellasorgente,polarizza-
zione, direzione dell’energiaincidente) siano le incognite delsistemadi energy
harvesting. Ciò che cambierà traiduecasi saràl’antenna, che perrecuperareil
maggior numero di fonti di energia dall’ambiente dovrà essere multibanda o a
banda larga, con bassa direttività e a polarizzazione circolare, cioè tutto il con-
trariodell’antennadirezionale eabandastrettachedevealimentare unsensore
wireless.
1.2 Strutturadiunsistemadirecuperodienergia
In generale, un sistema di recupero di energia ambientale è strutturato come
in figura 1.2. Il punto critico del sistema è il suo cuore, il gestore dell’energia
raccoltadalsensore(PowerManagementSystem),cioèilveroepropriosistema
di energy harvesting che deve amministrare in maniera efficiente la potenza;
il suo dimensionamento ottimale, tenendo conto del limite dato da batterie o
condensatori utilizzati per immagazzinare l’energia, è necessario per ottenere
1
In questo caso particolare, ha senso fare un confronto con il recupero di energia a
radiofrequenza (RF), visto che l’alimentazione wireless avviene tramite lo stesso metodo
trasmissivo.
4 MarcoAlessandrini
OSCILLATORI ELEVATORI DI TENSIONE PER IL RECUPERO DI MICROPOTENZE AMBIENTALI
DA SORGENTI A RADIOFREQUENZA
Consumodipotenza Autonomia Energia
Smartphone 1W 5ore ≃55·10
−6
J
LettoreMP3 50mW 15ore ≃1·10
−6
J
Apparecchioacustico 1mW 5giorni ≃2·10
−9
J
Nododiunaretedisensoriwireless 100μW avita ≃0J
Pacemaker 50μW 7anni ≃2·10
−13
J
Orologioalquarzo 5μW 5anni ≃3·10
−14
J
Tabella1.1: Sistemifunzionanticonalimentazioneabatteria[1]
Sorgenteambientale Potenza Potenza Potenzaspecifica
disorgente recuperabile deltrasduttore
Luceambientale(interni) 0,1mW/cm
2
10μW/cm
2
100μW/cm
2
,η≃8%
Luceambientale(esterni) 100mW/cm
2
10mW/cm
2
100mW/cm
2
,η≃15%
Vibrazioni/motoumano 0,5m@1Hz, 4μW/cm
2
1m/s
2
@50Hz
Vibrazioni/motoindustr. 1m@5Hz, 100μW/cm
2
10m/s
2
@1kHz
Energiaeolicaedafluidi 1mW,35L/min
centinaiadimVpp
Energiatermicaumana 20mW/cm
2
30μW/cm
2
Energiatermicaindustr. 100mW/cm
2
1÷10mW/cm
2
Energiatermoelettrica 113cm
3
,160μW,
(PowerBoltD751Micropelt) 220mV@15
◦
C
Energiapiezoelettrica 250μW/cm
3
g
decinediVpp
RF(telefonocellulare) 0,3μW/cm
2
0,1μW/cm
2
10÷1000μW/cm
2
η≃30%
centinaiadimVpp
Energiaelettromagnetica 40mW/cm
3
g
decinediVpp
Tabella1.2: Sorgentietrasduttoridienergiaambientale[1,8]
Batterie Batterieagli Batteriea Supercondensatori
alNiMH ionidiLitio filmsottile
Massa[g] 13 3,1 <0,2 5,3
Volume[mm
3
] 3500 1000 25÷600 2500
Tensioneoperativa[V] 1,2 3÷3,70 3,70 1,25
Densitàdienergia[Wh/l] 435 <50 6
Energiamedia[J] 4300 500 180·10
−3
÷10 0,9
Caricaelettrica(ocapacità) 1000mAh 40mAh 12μAh÷1mAh 140mF
Energiaspecifica[Wh/kg] 211 <1 1,5
Correntediperdita[μA] 200 1÷2 <0,001 1÷5
Tassodiautoscaricamento 0,1÷1 0,1÷1 100
a20
◦
C[%/mese]
Ciclidivita[cicli] 2000 >1000 >10000
Rangeditemperatura[
◦
C] −20÷+50 −20÷+70 −40÷+65
Tabella1.3: Caratteristichedibatterieesupercondensatori[1,8]
Capitolo1. Generalitàsulrecuperodienergia 5
OSCILLATORI ELEVATORI DI TENSIONE PER IL RECUPERO DI MICROPOTENZE AMBIENTALI
DA SORGENTI A RADIOFREQUENZA
un progetto con alta efficienza e bassa potenza richiesta dal controllo e dalla
conversione, cioè dagli elementi dissipativi che sprecano parte della preziosa
energiarecuperata.
sensore
energy
harvesting
carico
batteria
V
IN
bassa
(ev. AC)
P
media
bassa
V
OUT
variabile
Figura1.2: Sistemadirecuperodienergiaambientale
Analizzando unoschema ablocchi leggermentepiù approfondito, ad esem-
pio quello di figura 1.3 che rappresenta un progetto di recupero simultaneo di
due fonti di energia ambientale (termica e a radiofrequenza), si nota che ogni
sensoreotrasduttoreèinterfacciatoalveroepropriogestoredell’alimentazione
da un rettificatore, che elimina la dipendenzadi potenza e tensionein ingresso
daltempo. Ilcarico,inquestocasospecifico,èlabatteriadialimentazionedelsi-
stema(lacuicaricaècontrollatadacircuitispecifici),manonèdaescludereche
un opportuno dimensionamento consenta di pilotare un carico a piacemento,
purchésupportatodailivelliditensioneepotenza.
Figura1.3: CircuitodirecuperodellapotenzadafontiRFetermiche[1]
Si possono riassumere gli obiettivi di progetto di un Power Management
System intrepunti:
1. deve adattare il proprio ingresso al sensore di recupero dell’energia (cioè
all’harvester)elapropriauscitaalcarico, perottenereilmassimotrasferi-
mentodipotenza;
6 MarcoAlessandrini