Tutorial guida sull'energy harvesting - la vera free energy
La vera free energy è oggi una realtà.
Informazioni, dati e situazione attuale della energy harvesting e dei circuiti
integrati dedicati.
PREFAZIONE:
Se vi è capitato di vedere Stargate SG1, siete appassionati di tecnologia, e non vi limitavate a fissare sognanti la mitica Samantha Carter :), saprete bene che la tecnologia degli antichi utilizzata sopratutto dai Goa'uld si basa su un minerale, il Naquadah costituito prevalentemente a base di quarzo, ovviamente non presente sulla terra... Capace di assorbire dall'ambiente grandi quantità di energia e immagazzinarle, energia cinetica, calore, elettricità statica, luce, suono, elettricità fornita in modo diretto, insomma qualsiasi forma di energia conosciuta.
Lo stesso Stargate è costruito interamente di questo materiale dei sogni, le lance Jaffa funzionano anch'esse grazie ad esso, ed avrete notato che mai durante le 10 serie si è mai visto Teal'c ricaricare la sua arma preferita, stessa cosa per praticamente tutta la tecnologia degli antichi, questo proprio perchè il Naquada assorbe costantemente energia dall'ambiente e la accumula rendendola disponibile al momento del bisogno. Anche lo Stargate ha la stessa capacità ma la quantità di energia necessaria per aprire un portate è enorme, ecco perchè normalmente quella accumulata automaticamente non è sufficiente e va somministrata dall'esterno con il famoso dhd.
Che dire, il fine ultimo della tecnologia è proprio questo, ancora prima di sognare un dispositivo eterno, auto-riparante o tanto robusto da sopravvivere per millenni indenne come la tecnologia degli antichi, bisogna pensare alla fonte di alimentazione, ad oggi forse il più grande scoglio all'evoluzione della nostra tecnologia a livelli elevati è proprio questo, potremmo costruire già oggi tante cose che fino a qualche anno fa si potevano solo immaginare, ma senza una fonte di energia sufficientemente leggera e piccola siamo fregati, non siamo in grado di andare oltre il semplice prototipo alimentato via cavo, eh si, ci vorrebbe proprio un po di Naquadah così recuperiamo quello che ci serve dall'ambiente! Peccato non avere a disposizione una nave Goa'uld o uno Stargate per andare a cercarne un pochino, ovviamente in compagnia della bella Samantha! :)
Beh! Non abbiamo bisogno di fare anni luce perchè questa tecnologia che ci crediate o no la abbiamo già a disposizione, e perfino da diverso tempo. L'energy arvesting detta anche scavening o power harvesting, si occupa proprio di questo, intercettare e convertire a livelli utili l'energia sempre presente in ogni ambiente, gradienti termici, fonti sonore, movimento, elettricità statica, persino onde elettromagnetiche e ovviamente la luce solare.
Purtroppo i livelli di questa energia ad esclusione di quella solare sono molto bassi, e l'efficienza di conversione anche, per cui non possiamo pensare di alimentare un fucile laser da decine di megawatt :), si parla di microwatt al massimo, ma oggi grazie al consumo sempre più basso dei circuiti elettronici più che sufficienti per alimentare diverse apparecchiature portatili o per uso stazionario, i sensori radio sono stati i primi, ma le applicazioni sono infinite.
Attualmente le fonti più promettenti sono i generatori piezoelettrici capaci di convertire il movimento/vibrazione o le fonti sonore, i generatori termoelettrici che sfruttano salti termici e le già ampiamente sviluppate celle fotovoltaiche, ma si sta sperimentando anche lo sfruttamento dei campi elettromagnetici con risultati incoraggianti.
I luoghi in cui trovare maggiore energia disponibile in modo continuo e dove l'impiego di piccoli dispositivi risulta utile sono diversi, gli stessi utenti ad esempio, se ci pensate il corpo umano è un perfetto e super efficiente generatore ambulante, convertiamo prodotti organici a basso costo in energia nobile, calore dissipato in modo continuo dalla nostra pelle, ci muoviamo in modo praticamente continuo per 16 ore al giorno, anche durante il sonno si potrebbe sfruttare comunque il movimento del flusso sanguigno o della cassa toracica durante il respiro e il battito del cuore. Anche i settori industriali sono ottime fonti, già oggi diversi sensori sono auto-alimentati da generatori piezoelettrici che convertono le vibrazioni presenti ad esempio su motori o condutture in alta pressione nella corrente necessaria a trasmettere ogni tot ore la lettura di un sensore.
L'energia attingibile non è poi tanto bassa se si pensa in termini di micro dispositivi, ecco alcuni dati interessanti dell'energia recuperabile da un essere umano:
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Fonte
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| Energia disponibile |
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Movimento |
4 uW/cm2 |
Termico |
25 uW/cm2 |
Luce |
10 uW/cm2 all'interno 10 mW/cm2 all'esterno |
Onde elettromagnetiche |
0.1 uW/cm2 gsm 1 mW/cm2 wifi |
Valori al netto dell'efficienza di conversione dei dispositivi attuali e di tutto rispetto, se ad esempio prendiamo una superficie di 12 cm2 corrispondenti grosso modo alle dimensioni di un piccolo orologio, potremmo disporre di 300 uW in modo continuo per 24 ore al giorno dal solo calore generato dal nostro corpo e già con differenze di temperatura intorno ai 10 °C, mica poco!
Oggi già con questa apparente misera energia ci si possono fare parecchie cose, ad esempio un display lcd grafico Dogm128 assorbe soltanto 150uA, che a 3V equivale ad una potenza assorbita di soli 450uW, siamo quindi quasi in grado di alimentarlo in modo continuo, ma dato che normalmente a nessuno può servire un display acceso 24 ore su 24 è sufficiente spegnerlo nei momenti di inutilizzo e accumulare l'energia in eccesso, in questo modo potremmo effettivamente eliminare le batterie o meglio avremmo comunque bisogno di accumulatori, ma di dimensioni molto molto minute e avremmo comunque alte autonomie, anzi diciamo pure eterne.
La tecnologia non è poi tanto nuova, infatti sono già comparsi sul mercato da diverso tempo orologi perpetui a ricarica solare, tramite movimento e perfino qualche raro caso di sfruttamento del calore, per non parlare dei già citati sensori autoalimentati e si trovano perfino già in commercio a a costi bassi generatori termoelettrici e piezoelettrici oem pronti per essere integrati nelle nostre apparecchiature. Se poi utilizzassimo un sistema che prevede più fonti di approvvigionamento, o magari una superficie maggiore, beh, allora possiamo arrivare a valori davvero interessanti.
Oggi infatti la tecnologia elettronica è diretta proprio verso la riduzione oltre che delle dimensioni dei circuiti integrati anche dell'assorbimento, la Microchip ha da poco migliorato la sua serie di Pic Nanowatt con la nuova Nanowatt XLP (extreme low power), per dare un'idea, un DsPic di fascia alta arriva ad assorbire anche 300mA, mentre un 18/24F XLP con clock massimo e tutte le periferiche attive si ferma a qualche decina, ma il suo punto forte sono le opzioni di gestione energetica che forniscono diversi livelli di standby, è possibile ad esempio spegnere il solo processore lasciando le periferiche attive a fare il loro lavoro e risvegliarlo solo per leggere i dati per tornare subito in iddle, ed è proprio in stato di riposo che da il suo meglio sbaragliando la concorrenza, l'assorbimento crolla al livello di nW appunto e le periferiche hanno anche loro consumi molto bassi, in questo modo è possibile svolgere velocemente i compiti necessari e mandare immediatamente in iddle il processore, cosa possibile in molte applicazioni e che fa scendere il consumo medio a livelli bassissimi.
La Texas Instuments invece ha scelto una diversa direzione puntando al consumo ultrabasso del processore, si parla di circa 160uA per Mhz del core, 2uA in standby con rtc attivo, 1 uA offmode con ritenzione della ram, un livello tanto basso che è equiparabile al consumo di un orologio al quarzo, anni di autonomia con una sola pila a bottone, mica poco!
La Texas sull'energy harvesting sembra essersi concentrata parecchio fornendo una gamma molto completa di integrati utili allo scopo, regolatori di tensione lineari LDO con assorbimento bassissimo, convertitori dc/dc capaci di funzionare con tensioni in ingresso di soli 0.3V, step down con efficienze del 95%, anche ricetrasmettitori radio, amplificatori e sensori dal consumo ridottissimo, non che il già citato microprocessore a consumo ultra ridotto il CC430 che contiene perfino un radio rtx dati.
Anche la Linear Technology si è data da fare in questo campo proponendo due prodotti molto interessanti, il LTC3108 uno step up che riesce a funzionare già con tensioni in ingresso di soli 20mV! Utilissimo per l'arvesting di celle peltier o per l'rf. O il LTC3588, uno step up completo di ponte raddrizzatore espressamente progettato per l'utilizzo con i generatori piezoelettrici.
Il resto degli integrati di uso comune non è da meno, normalmente hanno oggi assorbimenti molto bassi, tutti pensati per applicazioni su cellulari o computer portatili, memorie flash, eprom, regolatori ldo, sensori, etc, oltre che funzionare per la maggior parte con tensioni anche di soli 1,8V assorbono davvero poco, si parla anche qui di micro e nano ampere, e dato che possono essere spenti nei momenti di inutilizzo, e vengono attivati solo per pochi istanti dopo lunghe permanenze in iddle, il consumo medio in questo caso è praticamente inesistente.
In pratica, progettando fin da subito un circuito elettronico diretto al consumo più basso possibile, si possono già oggi ottenere consumi medi perfino inferiori all'autoscarica delle migliori celle Lipo, notoriamente una delle tecnologie di accumulo energetico in cui questo valore è tra i più bassi, o addirittura alimentarlo direttamente con l'energy arvesting.
Il maggiore problema è che queste fonti di energia sono solitamente discontinue per cui è necessario accumulare i picchi di produzione per renderli disponibili successivamente, ma anche in questo siamo già molto avanti, le normali NiMh sono già utili allo scopo trovandosi in commercio in formati anche molto minuti come le cr1230 e permettendo ricariche trickle, letteralmente di ruscellamento ossia continue a tempo indefinito anche di 4 mA, in pratica possiamo dimenticarci dei sistemi di ricarica che in caso di correnti in gioco così basse non sarebbero capaci di funzionare. Cosa non possibile o almeno sconsigliata per le LiPo, ma in questo caso con potenze in gioco tante minute le capacità delle NiMh sono più che sufficienti.
Nei casi più estremi in cui si richieda elevatissima miniaturizzazione e il consumo sia sufficientemente basso, potremmo anche far uso della recentissima tecnologia delle litio thin-film, litio a film sottile, come le Enerchip, in questo caso le dimensioni dei contenitori sono davvero microscopici, si parla di pochi mm di lato con densità energetiche molto elevate, ma purtroppo e anzi ovviamente le capacità sono a livelli della decina di micro Ampere, essendo di dimensioni tanto minute e destinate appunto all'energy harvesting.
Insomma gli strumenti ormai ci sono tutti, per cui oltre che studiare l'argomento ho deciso di cominciare a raccogliere qualche dato pratico, ho in progettazione un piccolo dispositivo elettronico che userò per raccogliere i dati e scoprire se quelli riportati in letteratura sono veritieri e sopratutto alla portata delle persone comuni e non solo dei centri di ricerca ultra sofisticati. Appena avrò dati pratici e altre informazioni disponibili li pubblicherò sul sito.
Se qualcuno stesse lavorando nella stessa direzione sarebbe interessante mettersi in contatto, mi trovate sul FORUM.