Raccolta di energia - Energy harvesting

L'energy harvesting (noto anche come power harvesting o energy scavenging o energia ambientale ) è il processo mediante il quale l' energia viene derivata da fonti esterne (ad es. energia solare , termica , eolica , gradienti di salinità ed energia cinetica , nota anche come energia ambientale ), catturati e archiviati per piccoli dispositivi autonomi wireless, come quelli utilizzati nell'elettronica indossabile e nelle reti di sensori wireless .

I raccoglitori di energia forniscono una quantità molto piccola di energia per l'elettronica a bassa energia. Mentre il combustibile in ingresso per alcune produzioni su larga scala costa risorse (petrolio, carbone, ecc.), la fonte di energia per i raccoglitori di energia è presente come sfondo ambientale. Ad esempio, esistono gradienti di temperatura dovuti al funzionamento di un motore a combustione e nelle aree urbane c'è una grande quantità di energia elettromagnetica nell'ambiente a causa delle trasmissioni radiofoniche e televisive.

Una delle prime applicazioni dell'energia ambientale raccolta dalla radiazione elettromagnetica ambientale (EMR) è la radio di cristallo .

I principi della raccolta di energia dall'EMR ambientale possono essere dimostrati con componenti di base.

operazione

I dispositivi di raccolta dell'energia che convertono l'energia ambientale in energia elettrica hanno suscitato molto interesse sia nel settore militare che in quello commerciale. Alcuni sistemi convertono il movimento, come quello delle onde oceaniche, in elettricità per essere utilizzata dai sensori di monitoraggio oceanografico per il funzionamento autonomo. Le applicazioni future potrebbero includere dispositivi di uscita ad alta potenza (o array di tali dispositivi) distribuiti in località remote per fungere da centrali elettriche affidabili per sistemi di grandi dimensioni. Un'altra applicazione è nell'elettronica indossabile, dove i dispositivi di raccolta dell'energia possono alimentare o ricaricare telefoni cellulari, computer mobili, apparecchiature di comunicazione radio, ecc. Tutti questi dispositivi devono essere sufficientemente robusti per resistere all'esposizione a lungo termine ad ambienti ostili e avere un'ampia gamma di dinamiche sensibilità per sfruttare l'intero spettro dei moti ondosi.

Accumulare energia

L'energia può anche essere raccolta per alimentare piccoli sensori autonomi come quelli sviluppati utilizzando la tecnologia MEMS . Questi sistemi sono spesso molto piccoli e richiedono poca energia, ma le loro applicazioni sono limitate dalla dipendenza dall'alimentazione a batteria. Estrarre energia dalle vibrazioni ambientali, dal vento, dal calore o dalla luce potrebbe consentire ai sensori intelligenti di funzionare a tempo indeterminato.

Le densità di potenza tipiche disponibili dai dispositivi di raccolta dell'energia dipendono fortemente dall'applicazione specifica (che influenza le dimensioni del generatore) e dal design stesso del generatore di raccolta. In generale, per i dispositivi alimentati dal movimento, i valori tipici sono pochi µW/cm³ per applicazioni alimentate dal corpo umano e centinaia di µW/cm³ per generatori alimentati da macchinari. La maggior parte dei dispositivi di risparmio energetico per l'elettronica indossabile generano pochissima energia.

Stoccaggio di potenza

In generale, l'energia può essere immagazzinata in un condensatore , supercondensatore o batteria . I condensatori vengono utilizzati quando l'applicazione deve fornire enormi picchi di energia. Le batterie perdono meno energia e vengono quindi utilizzate quando il dispositivo deve fornire un flusso costante di energia. questi aspetti della batteria dipendono dal tipo che viene utilizzato. Un tipo comune di batteria utilizzato per questo scopo è la batteria al piombo o agli ioni di litio, sebbene i tipi più vecchi come l'idruro di nichel metallico siano ancora ampiamente utilizzati oggi. Rispetto alle batterie, i supercondensatori hanno cicli di carica-scarica praticamente illimitati e possono quindi funzionare per sempre consentendo un funzionamento senza manutenzione in dispositivi IoT e sensori wireless.

Uso del potere

L'interesse attuale per la raccolta di energia a bassa potenza è per le reti di sensori indipendenti. In queste applicazioni uno schema di raccolta dell'energia mette la potenza immagazzinata in un condensatore poi amplificata/regolata in un secondo condensatore o batteria di immagazzinamento per l'uso nel microprocessore o nella trasmissione dei dati. L'alimentazione viene solitamente utilizzata in un'applicazione di sensori e i dati vengono archiviati o trasmessi eventualmente tramite un metodo wireless.

Motivazione

La storia della raccolta di energia risale al mulino a vento e alla ruota idraulica. Le persone hanno cercato modi per immagazzinare l'energia dal calore e dalle vibrazioni per molti decenni. Una forza trainante della ricerca di nuovi dispositivi per la raccolta di energia è il desiderio di alimentare reti di sensori e dispositivi mobili senza batterie. La raccolta di energia è anche motivata dal desiderio di affrontare il problema del cambiamento climatico e del riscaldamento globale.

Fonti di energia

Ci sono molte fonti di energia su piccola scala che generalmente non possono essere scalate fino a dimensioni industriali in termini di produzione paragonabile all'energia solare, eolica o delle onde di dimensioni industriali:

  • Alcuni orologi da polso sono alimentati da energia cinetica (detti orologi automatici ), in questo caso viene utilizzato il movimento del braccio. Il movimento del braccio provoca l'avvolgimento della sua molla motrice . Un nuovo design introdotto da Seiko ("Kinetic") utilizza il movimento di un magnete nel generatore elettromagnetico invece di alimentare il movimento al quarzo. Il movimento fornisce una velocità di variazione del flusso, che si traduce in una certa fem indotta sulle bobine. Il concetto è legato alla legge di Faraday .
  • Il fotovoltaico è un metodo per generare energia elettrica convertendo la radiazione solare (sia all'interno che all'esterno) in elettricità a corrente continua utilizzando semiconduttori che esibiscono l' effetto fotovoltaico . La generazione di energia fotovoltaica utilizza pannelli solari composti da un numero di celle contenenti un materiale fotovoltaico. Si noti che il fotovoltaico è stato ridimensionato a dimensioni industriali e che esistono grandi parchi solari.
  • I generatori termoelettrici (TEG) sono costituiti dalla giunzione di due materiali dissimili e dalla presenza di un gradiente termico. Grandi uscite di tensione sono possibili collegando molte giunzioni elettricamente in serie e termicamente in parallelo. Le prestazioni tipiche sono 100–300 μV/K per giunzione. Questi possono essere utilizzati per catturare mW di energia da apparecchiature industriali, strutture e persino dal corpo umano. In genere sono accoppiati a dissipatori di calore per migliorare il gradiente di temperatura.
  • Le micro turbine eoliche vengono utilizzate per raccogliere l'energia eolica prontamente disponibile nell'ambiente sotto forma di energia cinetica per alimentare i dispositivi elettronici a bassa potenza come i nodi di sensori wireless. Quando l'aria scorre attraverso le pale della turbina, si sviluppa una differenza di pressione netta tra le velocità del vento sopra e sotto le pale. Ciò si tradurrà in una forza di sollevamento generata che a sua volta farà ruotare le lame. Analogamente al fotovoltaico, i parchi eolici sono stati costruiti su scala industriale e vengono utilizzati per generare notevoli quantità di energia elettrica.
  • I cristalli o le fibre piezoelettrici generano una piccola tensione ogni volta che vengono deformati meccanicamente. Le vibrazioni dei motori possono stimolare i materiali piezoelettrici, così come il tallone di una scarpa o la pressione di un pulsante.
  • Antenne speciali possono raccogliere energia dalle onde radio parassite, questo può essere fatto anche con una Rectenna e teoricamente a radiazioni EM a frequenza ancora più alta con una Nantenna .
  • La potenza dei tasti premuti durante l'uso di un dispositivo elettronico portatile o di un telecomando, utilizzando magneti e bobine o convertitori di energia piezoelettrici, può essere utilizzata per alimentare il dispositivo.
  • Raccolta di energia delle vibrazioni basata sull'induzione elettromagnetica che utilizza un magnete e una bobina di rame nelle versioni più semplici per generare una corrente che può essere convertita in elettricità.

Sorgenti di radiazioni ambientali

Una possibile fonte di energia proviene da trasmettitori radio onnipresenti. Storicamente, è necessaria un'ampia area di raccolta o la vicinanza alla fonte di energia wireless radiante per ottenere livelli di potenza utili da questa fonte. La nantenna è uno sviluppo proposto che supererebbe questa limitazione sfruttando l'abbondante radiazione naturale (come la radiazione solare ).

Un'idea è quella di trasmettere deliberatamente energia RF per alimentare e raccogliere informazioni da dispositivi remoti: questo è ormai comune nei sistemi di identificazione a radiofrequenza passiva (RFID), ma la Safety and Federal Communications Commission (e gli organismi equivalenti in tutto il mondo) limitano la potenza massima che possono essere trasmessi in questo modo all'uso civile. Questo metodo è stato utilizzato per alimentare singoli nodi in una rete di sensori wireless

Flusso del fluido

Il flusso d'aria può essere raccolto da varie tecnologie di generatori a turbina e non a turbina. Le turbine eoliche a torre e i sistemi di energia eolica aerotrasportata (AWES) minano il flusso d'aria. Ad esempio, il microgeneratore brevettato Windbeam di Zephyr Energy Corporation cattura l'energia dal flusso d'aria per ricaricare le batterie e alimentare i dispositivi elettronici. Il nuovo design del Windbeam gli consente di funzionare silenziosamente con velocità del vento fino a 2 mph. Il generatore è costituito da una trave leggera sospesa da molle durevoli di lunga durata all'interno di un telaio esterno. Il fascio oscilla rapidamente quando esposto al flusso d'aria a causa degli effetti di molteplici fenomeni di flusso di fluido. Un gruppo alternatore lineare converte il movimento del raggio oscillante in energia elettrica utilizzabile. La mancanza di cuscinetti e ingranaggi elimina le inefficienze di attrito e il rumore. Il generatore può funzionare in ambienti poco illuminati non adatti ai pannelli solari (es. condotti HVAC) ed è economico grazie ai componenti a basso costo e alla semplicità costruttiva. La tecnologia scalabile può essere ottimizzata per soddisfare i requisiti energetici e i vincoli di progettazione di una determinata applicazione.

Il flusso di sangue può essere utilizzato anche per alimentare i dispositivi. Ad esempio, il pacemaker sviluppato presso l'Università di Berna, utilizza il flusso sanguigno per caricare una molla che a sua volta aziona un microgeneratore elettrico.

Fotovoltaico

La tecnologia wireless per la raccolta dell'energia fotovoltaica (PV) offre vantaggi significativi rispetto alle soluzioni di sensori cablati o alimentati esclusivamente a batteria: fonti di energia praticamente inesauribili con effetti ambientali negativi minimi o nulli. Finora le soluzioni di raccolta fotovoltaica indoor sono state alimentate da una tecnologia al silicio amorfo (aSi) appositamente sintonizzata, la più utilizzata nei calcolatori solari. Negli ultimi anni le nuove tecnologie fotovoltaiche sono venute alla ribalta nell'Energy Harvesting come le celle solari sensibilizzate al colorante ( DSSC ). I coloranti assorbono la luce proprio come fa la clorofilla nelle piante. Gli elettroni rilasciati all'impatto sfuggono allo strato di TiO 2 e da lì si diffondono, attraverso l'elettrolita, poiché il colorante può essere sintonizzato sullo spettro visibile può essere prodotta una potenza molto più elevata. A 200 lux un DSSC può fornire oltre 10 µW per cm 2 .

immagine di un interruttore a parete senza batteria e wireless

piezoelettrico

L' effetto piezoelettrico converte la sollecitazione meccanica in corrente o tensione elettrica. Questo ceppo può provenire da molte fonti diverse. Il movimento umano, le vibrazioni sismiche a bassa frequenza e il rumore acustico sono esempi quotidiani. Tranne in rari casi, l'effetto piezoelettrico opera in corrente alternata richiedendo ingressi variabili nel tempo a risonanza meccanica per essere efficiente.

La maggior parte delle fonti di elettricità piezoelettrica produce energia nell'ordine dei milliwatt, troppo piccola per l'applicazione di sistema, ma sufficiente per dispositivi portatili come alcuni orologi da polso a carica automatica disponibili in commercio. Una proposta è che vengano utilizzati per dispositivi su microscala, come in un dispositivo che raccoglie energia micro-idraulica. In questo dispositivo, il flusso di fluido idraulico in pressione aziona un pistone alternativo supportato da tre elementi piezoelettrici che convertono le fluttuazioni di pressione in corrente alternata.

Poiché la raccolta di energia piezoelettrica è stata studiata solo dalla fine degli anni '90, rimane una tecnologia emergente. Tuttavia, alcune interessanti migliorie sono state apportate con l'interruttore elettronico autoalimentato presso la scuola di ingegneria INSA, implementato dallo spin-off Arveni. Nel 2006 è stata creata la prova del concetto di un pulsante per campanello senza fili senza batteria e, di recente, un prodotto ha dimostrato che il classico interruttore a parete wireless può essere alimentato da una mietitrice piezoelettrica. Altre applicazioni industriali sono apparse tra il 2000 e il 2005, per raccogliere energia dalle vibrazioni e fornire sensori, ad esempio, o per raccogliere energia dagli urti.

I sistemi piezoelettrici possono convertire il movimento del corpo umano in energia elettrica. DARPA ha finanziato gli sforzi per sfruttare l'energia dal movimento delle gambe e delle braccia, dagli impatti delle scarpe e dalla pressione sanguigna per l'alimentazione di basso livello a sensori impiantabili o indossabili. Le nanospazzole sono un altro esempio di raccoglitore di energia piezoelettrico. Possono essere integrati nell'abbigliamento. Molte altre nanostrutture sono state sfruttate per costruire un dispositivo di raccolta dell'energia, ad esempio una nanocintura PMN-PT a cristallo singolo è stata fabbricata e assemblata in un raccoglitore di energia piezoelettrico nel 2016. È necessaria un'attenta progettazione per ridurre al minimo il disagio dell'utente. Queste fonti di raccolta di energia per associazione influenzano il corpo. Il Vibration Energy Scavenging Project è un altro progetto creato per cercare di recuperare energia elettrica dalle vibrazioni e dai movimenti ambientali. Microbelt può essere utilizzato per raccogliere elettricità dalla respirazione. Inoltre, poiché la vibrazione del movimento dell'essere umano arriva in tre direzioni, viene creato un singolo raccoglitore di energia omnidirezionale basato su cantilever piezoelettrico utilizzando la risonanza interna 1:2. Infine, è già stato creato anche un raccoglitore di energia piezoelettrico su scala millimetrica.

L'uso di materiali piezoelettrici per raccogliere energia è già diventato popolare. I materiali piezoelettrici hanno la capacità di trasformare l'energia di deformazione meccanica in carica elettrica. Gli elementi piezoelettrici vengono incorporati nelle passerelle per recuperare "l'energia della gente" dei passi. Possono anche essere incorporati nelle scarpe per recuperare "l'energia della camminata". I ricercatori del MIT hanno sviluppato il primo raccoglitore di energia piezoelettrico su microscala utilizzando PZT a film sottile nel 2005. Arman Hajati e Sang-Gook Kim hanno inventato il dispositivo per la raccolta di energia piezoelettrica su microscala a larghezza di banda ultra larga sfruttando la rigidità non lineare di un sistema microelettromeccanico a doppia chiusura ( MEMS ) risonatore. La deformazione di allungamento in una trave doppiamente bloccata mostra una rigidità non lineare, che fornisce un feedback passivo e si traduce in una risonanza in modalità Duffing irrigidita in ampiezza. Tipicamente, per il suddetto sistema di energy harvesting vengono adottati cantilever piezoelettrici. Uno svantaggio è che il cantilever piezoelettrico ha una distribuzione della deformazione a gradiente, cioè il trasduttore piezoelettrico non è completamente utilizzato. Per affrontare questo problema, vengono proposti cantilever a forma di triangolo e a forma di L per una distribuzione uniforme della deformazione.

Nel 2018, i ricercatori della Soochow University hanno riferito di aver ibridato un nanogeneratore triboelettrico e una cella solare al silicio condividendo un elettrodo reciproco. Questo dispositivo può raccogliere l'energia solare o convertire l'energia meccanica delle gocce di pioggia che cadono in elettricità.

Energia da strade intelligenti e piezoelettricità

Cella unitaria tetragonale di titanato di piombo
Un disco piezoelettrico genera una tensione quando deformato (il cambiamento di forma è molto esagerato)

I fratelli Pierre Curie e Jacques Curie hanno dato il concetto di effetto piezoelettrico nel 1880. L'effetto piezoelettrico converte la deformazione meccanica in tensione o corrente elettrica e genera energia elettrica da movimento, peso, vibrazioni e variazioni di temperatura come mostrato nella figura.

Considerando l'effetto piezoelettrico in PZT di titanato di zirconato di piombo a film sottile , è stato sviluppato un dispositivo di generazione di energia per sistemi microelettromeccanici ( MEMS ). Durante il recente miglioramento della tecnologia piezoelettrica, Aqsa Abbasi ) ha differenziato due modalità chiamate e nei convertitori di vibrazione e riprogettato per risuonare a frequenze specifiche da una fonte di energia di vibrazione esterna, creando così energia elettrica tramite l'effetto piezoelettrico utilizzando la massa smorzata elettromeccanica. Tuttavia, Aqsa ha ulteriormente sviluppato dispositivi elettrostatici strutturati a fascio che sono più difficili da fabbricare rispetto ai dispositivi PZT MEMS rispetto a dispositivi simili perché l' elaborazione generale del silicio comporta molti più passaggi della maschera che non richiedono la pellicola PZT. I sensori e gli attuatori di tipo piezoelettrico hanno una struttura a trave a sbalzo costituita da un elettrodo inferiore a membrana , una pellicola, una pellicola piezoelettrica e un elettrodo superiore. Sono necessari più di (3~5 maschere) passaggi maschera per modellare ogni strato pur avendo una tensione indotta molto bassa. Cristalli piroelettrici che hanno un unico asse polare e hanno polarizzazione spontanea, lungo la quale esiste la polarizzazione spontanea. Questi sono i cristalli delle classi 6mm , 4mm , mm2 , 6 , 4 , 3m , 3 , 2 , m . L'asse polare speciale - asse cristallofisico X3 - coincide con gli assi L6 , L4 , L3 e L2 dei cristalli o giace nell'unico piano rettilineo P (classe "m") . Di conseguenza, i centri elettrici delle cariche positive e negative sono spostati di una cella elementare dalle posizioni di equilibrio, cioè, la polarizzazione spontanea dei cambiamenti di cristallo. Pertanto, tutti i cristalli considerati hanno polarizzazione spontanea . Poiché l'effetto piezoelettrico nei cristalli piroelettrici deriva da cambiamenti nella loro polarizzazione spontanea sotto effetti esterni ( campi elettrici , sollecitazioni meccaniche). A seguito dello spostamento, Aqsa Abbasi ha introdotto il cambiamento nei componenti lungo tutti e tre gli assi . Supponiamo che sia proporzionale alle sollecitazioni meccaniche causanti in prima approssimazione, che risulta dove Tkl rappresenta la sollecitazione meccanica e dikl rappresenta i moduli piezoelettrici.

I film sottili PZT hanno attirato l'attenzione per applicazioni come sensori di forza, accelerometri , attuatori giroscopi, ottica sintonizzabile, micropompe, RAM ferroelettrica, sistemi di visualizzazione e strade intelligenti, quando le fonti di energia sono limitate, la raccolta di energia svolge un ruolo importante nell'ambiente. Le strade intelligenti hanno il potenziale per svolgere un ruolo importante nella generazione di energia. Incorporare materiale piezoelettrico nella strada può convertire la pressione esercitata dai veicoli in movimento in tensione e corrente.

Sistema intelligente di trasporto intelligente

I sensori piezoelettrici sono molto utili nelle tecnologie stradali intelligenti che possono essere utilizzate per creare sistemi intelligenti e migliorare la produttività a lungo termine. Immagina le autostrade che avvertono gli automobilisti di un ingorgo prima che si formi. O ponti che segnalano quando sono a rischio di crollo, o una rete elettrica che si ripara da sola in caso di blackout. Per molti decenni, scienziati ed esperti hanno sostenuto che il modo migliore per combattere la congestione sono i sistemi di trasporto intelligenti, come i sensori a bordo strada per misurare il traffico e i semafori sincronizzati per controllare il flusso dei veicoli. Ma la diffusione di queste tecnologie è stata limitata dal costo. Ci sono anche alcuni altri progetti pronti per la pala di tecnologia intelligente che potrebbero essere implementati abbastanza rapidamente, ma la maggior parte delle tecnologie sono ancora in fase di sviluppo e potrebbero non essere praticamente disponibili per cinque anni o più.

piroelettrico

L' effetto piroelettrico converte una variazione di temperatura in corrente o tensione elettrica. È analogo all'effetto piezoelettrico , che è un altro tipo di comportamento ferroelettrico . La piroelettricità richiede input variabili nel tempo e soffre di piccole uscite di potenza nelle applicazioni di raccolta di energia a causa delle sue basse frequenze operative. Tuttavia, un vantaggio chiave dei piroelettrici rispetto ai termoelettrici è che molti materiali piroelettrici sono stabili fino a 1200 C o più, consentendo la raccolta di energia da fonti ad alta temperatura e aumentando così l' efficienza termodinamica .

Un modo per convertire direttamente il calore di scarto in elettricità consiste nell'eseguire il ciclo di Olsen su materiali piroelettrici. Il ciclo di Olsen è costituito da due processi di campo isotermico e due isoelettrici nel diagramma spostamento elettrico-campo elettrico (DE). Il principio del ciclo di Olsen è quello di caricare un condensatore tramite raffreddamento a basso campo elettrico e di scaricarlo sotto riscaldamento a campo elettrico più alto. Diversi convertitori piroelettrici sono stati sviluppati per implementare il ciclo di Olsen utilizzando conduzione, convezione o radiazione. È stato anche stabilito teoricamente che la conversione piroelettrica basata sulla rigenerazione del calore utilizzando un fluido di lavoro oscillante e il ciclo di Olsen può raggiungere l' efficienza di Carnot tra un serbatoio termico caldo e uno freddo. Inoltre, studi recenti hanno stabilito che i polimeri di polivinilidenfluoruro di trifluoroetilene [P(VDF-TrFE)] e le ceramiche di titanato di zirconato di lantanio (PLZT) sono promettenti materiali piroelettrici da utilizzare nei convertitori di energia a causa delle loro grandi densità di energia generate a basse temperature. Inoltre, è stato recentemente introdotto un dispositivo di scavenging piroelettrico che non richiede input variabili nel tempo. Il dispositivo di raccolta dell'energia utilizza il campo elettrico depolarizzante del bordo di un piroelettrico riscaldato per convertire l'energia termica in energia meccanica invece di prelevare corrente elettrica da due piastre attaccate alle facce di cristallo.

Termoelettrici

Effetto Seebeck in una termopila di fili di ferro e rame

Nel 1821, Thomas Johann Seebeck scoprì che un gradiente termico formato tra due conduttori dissimili produce una tensione. Al centro dell'effetto termoelettrico c'è il fatto che un gradiente di temperatura in un materiale conduttore si traduce in un flusso di calore; ciò si traduce nella diffusione dei portatori di carica. Il flusso di portatori di carica tra le regioni calde e fredde crea a sua volta una differenza di tensione. Nel 1834, Jean Charles Athanase Peltier scoprì che far scorrere una corrente elettrica attraverso la giunzione di due conduttori dissimili potrebbe, a seconda della direzione della corrente, farla agire come un riscaldatore o un dispositivo di raffreddamento. Il calore assorbito o prodotto è proporzionale alla corrente e la costante di proporzionalità è nota come coefficiente di Peltier. Oggi, grazie alla conoscenza degli effetti Seebeck e Peltier , i materiali termoelettrici possono essere utilizzati come riscaldatori, refrigeratori e generatori (TEG).

I materiali termoelettrici ideali hanno un alto coefficiente di Seebeck, un'elevata conduttività elettrica e una bassa conduttività termica. Una bassa conduttività termica è necessaria per mantenere un elevato gradiente termico alla giunzione. I moduli termoelettrici standard prodotti oggi sono costituiti da semiconduttori di bismuto-tellururo drogati con P e N inseriti tra due piastre di ceramica metallizzata. Le piastre in ceramica aggiungono rigidità e isolamento elettrico al sistema. I semiconduttori sono collegati elettricamente in serie e termicamente in parallelo.

Sono state sviluppate termocoppie in miniatura che convertono il calore corporeo in elettricità e generano 40  μ W a 3  V con un gradiente di temperatura di 5 gradi, mentre all'altra estremità della scala, nelle batterie RTG nucleari vengono utilizzate termocoppie di grandi dimensioni .

Esempi pratici sono il cardiofrequenzimetro da dito dell'Holst Center ei termogeneratori della Fraunhofer-Gesellschaft.

Vantaggi dei termoelettrici:

  1. Nessuna parte in movimento consente un funzionamento continuo per molti anni.
  2. I termoelettrici non contengono materiali che devono essere reintegrati.
  3. Riscaldamento e raffreddamento possono essere invertiti.

Uno svantaggio della conversione dell'energia termoelettrica è la bassa efficienza (attualmente inferiore al 10%). Lo sviluppo di materiali che sono in grado di operare in gradienti di temperatura più elevati e che possono condurre bene l'elettricità senza condurre anche il calore (qualcosa che fino a poco tempo si pensava impossibile), porterà a una maggiore efficienza.

Il lavoro futuro nel termoelettrico potrebbe essere quello di convertire il calore disperso, come nella combustione dei motori delle automobili, in elettricità.

Elettrostatico (capacitivo)

Questo tipo di raccolta si basa sulla capacità variabile dei condensatori dipendenti dalle vibrazioni. Le vibrazioni separano le armature di un condensatore variabile carico e l'energia meccanica viene convertita in energia elettrica. I raccoglitori di energia elettrostatica hanno bisogno di una fonte di polarizzazione per funzionare e convertire l'energia meccanica dalle vibrazioni in elettricità. La sorgente di polarizzazione dovrebbe essere dell'ordine di alcune centinaia di volt; questo complica notevolmente il circuito di gestione dell'alimentazione. Un'altra soluzione consiste nell'utilizzare gli elettreti , che sono dielettrici caricati elettricamente in grado di mantenere la polarizzazione sul condensatore per anni. A questo scopo è possibile adattare le strutture dei classici generatori ad induzione elettrostatica, che estraggono energia anche da capacità variabili. I dispositivi risultanti sono autopolarizzanti e possono caricare direttamente le batterie o possono produrre tensioni crescenti esponenzialmente sui condensatori di accumulo, da cui l'energia può essere periodicamente estratta dai convertitori DC/DC.

Induzione magnetica

L'induzione magnetica si riferisce alla produzione di una forza elettromotrice (cioè tensione) in un campo magnetico variabile . Questo campo magnetico variabile può essere creato dal movimento, sia dalla rotazione (cioè effetto Wiegand e sensori Wiegand ) che dal movimento lineare (cioè vibrazione ).

I magneti che oscillano su un cantilever sono sensibili anche a piccole vibrazioni e generano microcorrenti spostandosi rispetto ai conduttori a causa della legge di induzione di Faraday . Sviluppando un dispositivo in miniatura di questo tipo nel 2007, un team dell'Università di Southampton ha reso possibile l'installazione di un tale dispositivo in ambienti che precludono qualsiasi connessione elettrica con il mondo esterno. I sensori in luoghi inaccessibili possono ora generare la propria energia e trasmettere dati a ricevitori esterni.

Uno dei principali limiti del raccoglitore di energia a vibrazione magnetica sviluppato presso l' Università di Southampton è la dimensione del generatore, in questo caso circa un centimetro cubo, che è troppo grande per essere integrato nelle tecnologie mobili di oggi. Il generatore completo, inclusi i circuiti, è un enorme 4 cm per 4 cm per 1 cm, quasi le stesse dimensioni di alcuni dispositivi mobili come l'iPod nano. Ulteriori riduzioni delle dimensioni sono possibili attraverso l'integrazione di nuovi e più flessibili materiali come il componente della trave a sbalzo. Nel 2012, un gruppo della Northwestern University ha sviluppato un generatore di vibrazioni in polimero a forma di molla. Questo dispositivo è stato in grado di indirizzare le stesse frequenze del dispositivo basato sul silicio dei gruppi dell'Università di Southampton, ma con un terzo delle dimensioni del componente del raggio.

È stato proposto anche un nuovo approccio alla raccolta di energia basata sull'induzione magnetica utilizzando ferrofluidi. L'articolo di giornale, "Energy Harvester elettromagnetico a base di ferrofluido", discute l'uso di ferrofluidi per raccogliere energia vibrazionale a bassa frequenza a 2,2 Hz con una potenza di ~ 80 mW per g.

Abbastanza recentemente, il cambiamento nel modello della parete del dominio con l'applicazione dello stress è stato proposto come metodo per raccogliere energia usando l'induzione magnetica. In questo studio, gli autori hanno dimostrato che lo stress applicato può modificare il pattern del dominio nei microfili. Le vibrazioni ambientali possono causare stress nei microfili, che possono indurre un cambiamento nel modello di dominio e quindi modificare l'induzione. È stata riportata una potenza dell'ordine di uW/cm2.

I raccoglitori di energia vibratoria di successo commerciale basati sull'induzione magnetica sono ancora relativamente pochi di numero. Gli esempi includono i prodotti sviluppati dalla società svedese ReVibe Energy , uno spin-out tecnologico di Saab Group . Un altro esempio sono i prodotti sviluppati da Perpetuum dai primi prototipi dell'Università di Southampton. Questi devono essere sufficientemente grandi per generare la potenza richiesta dai nodi di sensori wireless (WSN), ma nelle applicazioni M2M questo non è normalmente un problema. Questi raccoglitori vengono ora forniti in grandi volumi per alimentare i WSN realizzati da aziende come GE ed Emerson e anche per i sistemi di monitoraggio dei cuscinetti dei treni realizzati da Perpetuum. I sensori sopraelevati della linea elettrica possono utilizzare l'induzione magnetica per raccogliere energia direttamente dal conduttore che stanno monitorando.

Glicemia

Un altro modo per raccogliere energia è attraverso l'ossidazione degli zuccheri nel sangue. Questi raccoglitori di energia sono chiamati biobatterie . Potrebbero essere utilizzati per alimentare dispositivi elettronici impiantati (ad es. pacemaker, biosensori impiantati per diabetici, dispositivi RFID attivi impiantati, ecc.). Attualmente, il Minteer Group della Saint Louis University ha creato enzimi che potrebbero essere utilizzati per generare energia dagli zuccheri nel sangue. Tuttavia, gli enzimi dovrebbero comunque essere sostituiti dopo alcuni anni. Nel 2012, un pacemaker è stato alimentato da celle a biocarburante impiantabili presso la Clarkson University sotto la guida del Dr. Evgeny Katz.

Basato su albero

La raccolta di energia metabolica degli alberi è un tipo di raccolta di bioenergia. Voltree ha sviluppato un metodo per raccogliere energia dagli alberi. Questi raccoglitori di energia vengono utilizzati per alimentare sensori remoti e reti mesh come base per un sistema di distribuzione a lungo termine per monitorare gli incendi boschivi e le condizioni meteorologiche nella foresta. Secondo il sito web di Voltree, la vita utile di un tale dispositivo dovrebbe essere limitata solo dalla vita dell'albero a cui è collegato. Una piccola rete di prova è stata recentemente implementata in una foresta del Parco Nazionale degli Stati Uniti.

Altre fonti di energia dagli alberi includono la cattura del movimento fisico dell'albero in un generatore. L'analisi teorica di questa fonte di energia mostra alcune promesse nell'alimentazione di piccoli dispositivi elettronici. Un pratico dispositivo basato su questa teoria è stato costruito e alimentato con successo un nodo sensore per un anno.

metamateriale

Un dispositivo basato su metamateriali converte in modalità wireless un segnale a microonde a 900 MHz in 7,3 volt di corrente continua (maggiore di quello di un dispositivo USB). Il dispositivo può essere sintonizzato per raccogliere altri segnali, inclusi segnali Wi-Fi, segnali satellitari o persino segnali sonori. Il dispositivo sperimentale utilizzava una serie di cinque conduttori in fibra di vetro e rame . L'efficienza di conversione ha raggiunto il 37 percento. Quando le antenne tradizionali sono vicine tra loro nello spazio, interferiscono tra loro. Ma poiché la potenza RF diminuisce del cubo della distanza, la quantità di potenza è molto, molto piccola. Mentre la richiesta di 7,3 volt è grandiosa, la misurazione è per un circuito aperto. Poiché la potenza è così bassa, non può esserci quasi nessuna corrente quando è collegato un carico.

Variazioni della pressione atmosferica

La pressione dell'atmosfera cambia naturalmente nel tempo a causa delle variazioni di temperatura e dei modelli meteorologici. I dispositivi con una camera sigillata possono utilizzare queste differenze di pressione per estrarre energia. Questo è stato utilizzato per fornire energia agli orologi meccanici come l' orologio Atmos .

Energia dell'oceano

Un concetto relativamente nuovo di generazione di energia è generare energia dagli oceani. Sul pianeta sono presenti grandi masse d'acqua che portano con sé grandi quantità di energia. L'energia in questo caso può essere generata da correnti di marea, onde oceaniche, differenza di salinità e anche differenza di temperatura. A partire dal 2018, sono in corso sforzi per raccogliere energia in questo modo. La Marina degli Stati Uniti di recente è stata in grado di generare elettricità sfruttando la differenza di temperatura presente nell'oceano.

Un metodo per utilizzare la differenza di temperatura tra i diversi livelli del termoclino nell'oceano consiste nell'utilizzare un raccoglitore di energia termica dotato di un materiale che cambia fase mentre si trova in regioni a temperature diverse. Questo è in genere un materiale a base di polimeri in grado di gestire trattamenti termici reversibili. Quando il materiale cambia fase, il differenziale di energia viene convertito in energia meccanica. I materiali utilizzati dovranno essere in grado di alterare le fasi, da liquida a solida, a seconda della posizione del termoclino sott'acqua. Questi materiali a cambiamento di fase all'interno delle unità di raccolta dell'energia termica sarebbero un modo ideale per ricaricare o alimentare un veicolo subacqueo senza equipaggio (UUV) poiché farà affidamento sull'acqua calda e fredda già presente in grandi specchi d'acqua; riducendo al minimo la necessità di ricarica della batteria standard. Catturare questa energia consentirebbe missioni a lungo termine poiché la necessità di essere raccolta o restituita per la ricarica può essere eliminata. Questo è anche un metodo molto ecologico per alimentare i veicoli subacquei. Non ci sono emissioni derivanti dall'utilizzo di un fluido a cambiamento di fase e probabilmente avrà una durata maggiore rispetto a quella di una batteria standard.

Direzioni future

I polimeri elettroattivi (EAP) sono stati proposti per la raccolta di energia. Questi polimeri hanno una grande deformazione, densità di energia elastica e un'elevata efficienza di conversione dell'energia. Si propone che il peso totale dei sistemi basati su EAP (polimeri elettroattivi) sia significativamente inferiore rispetto a quelli basati su materiali piezoelettrici.

I nanogeneratori , come quello realizzato da Georgia Tech, potrebbero fornire un nuovo modo per alimentare dispositivi senza batterie. A partire dal 2008, genera solo qualche dozzina di nanowatt, che è troppo basso per qualsiasi applicazione pratica.

Il rumore è stato oggetto di una proposta da parte del Laboratorio NiPS in Italia per raccogliere vibrazioni ad ampio spettro a bassa scala tramite un meccanismo dinamico non lineare che può migliorare l'efficienza della mietitrice fino a un fattore 4 rispetto ai tradizionali raccoglitori lineari.

Le combinazioni di diversi tipi di raccoglitori di energia possono ridurre ulteriormente la dipendenza dalle batterie, in particolare in ambienti in cui i tipi di energia ambientale disponibili cambiano periodicamente. Questo tipo di raccolta di energia bilanciata complementare ha il potenziale per aumentare l'affidabilità dei sistemi di sensori wireless per il monitoraggio della salute strutturale.

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