Il concetto di raccolta di energia non è nuovo, ma l'utilizzo di questa soluzione in prodotti veri e propri presenta delle sfide. Che cos'è la raccolta di energia, perché è difficile da implementare, come influirà sui dispositivi IoT (Internet of Things) e quali implicazioni comporterà?
Che cos'è la raccolta di energia?
La raccolta di energia è il meccanismo con cui un dispositivo può assorbire l'energia locale presente in natura, convertirla in corrente utile e quindi utilizzarla per eseguire un'azione. Nel caso dei dispositivi elettrici, un raccoglitore di energia può convertire l'energia ambientale in elettricità, che poi può essere utilizzata in dispositivi elettrici a bassa potenza. Esistono numerose fonti di energia presenti in natura che possono essere utilizzate per generare elettricità, tra cui quella solare, eolica, vibrazionale, magnetica, termica e radio.
Esempi di tecniche di raccolta dell'energia
Estrarre energia dall'ambiente circostante non è sempre facile e trova spesso notevoli limitazioni. Quindi, come si possono convertire in elettricità le fonti energetiche presenti in natura?
Solare
L'esempio più ovvio di energia presente in natura è la luce del sole: l'uso di celle solari permette di convertire direttamente la luce in elettricità grazie all'effetto fotovoltaico e questo può caricare un condensatore o una batteria per far funzionare un dispositivo. Tuttavia, questa fonte di energia richiede spesso grandi superfici per massimizzare l'apporto energetico e spesso funziona solo in presenza di luce diretta.
Eolica
Il vento è un altro esempio evidente di energia presente in natura ma, come quella solare, presenta delle sfide. La conversione del vento in elettricità avviene mediante una dinamo collegata a un rotore; il vento che passa attraverso il rotore fa ruotare l'albero della dinamo, generando così elettricità. Questo tipo di sistema richiede che il raccoglitore di energia sia posizionato in luoghi esposti al vento, che è una fonte di energia irregolare.
Termoelettrica
Un sistema termoelettrico può generare elettricità in presenza di una grande differenza di temperatura tra due punti. Un esempio semplice di sistema termoelettrico è un refrigeratore a effetto Peltier con il lato "caldo" a contatto con un oggetto caldo e il lato "freddo" a contatto con un oggetto freddo. Il risultato viene definito "effetto Peltier" ed è in base a questo effetto che il refrigeratore genera elettricità.
Elettromeccanica
Un raccoglitore di energia elettromeccanica converte l'energia meccanica in energia elettrica. Questo è possibile utilizzando un'ampia varietà di metodi, ma il più comune è l'effetto piezoelettrico. Un materiale piezoelettrico è un materiale che si deforma in una direzione specifica quando gli viene applicata una corrente elettrica e genera una corrente quando il materiale subisce una deformazione meccanica. È quindi possibile montare un elemento piezoelettrico su un oggetto in vibrazione per fare in modo che produca una corrente elettrica.
Radio
Un raccoglitore di energia radio converte direttamente le onde radio in elettricità. Questo è il tipo più raro di raccoglitore di energia, perché genera pochissima energia dal momento che le onde radio sono incredibilmente deboli. Tuttavia, se posizionato all'interno di un campo radio sufficientemente forte, può essere utilizzato per alimentare dispositivi. Un classico esempio sono le radio a galena vecchio stile, che non richiedono una fonte di energia per funzionare, ma solo una lunga antenna e il collegamento a terra.
Perché è difficile raccogliere l'energia?
Una delle maggiori sfide per la raccolta di energia è trovare una fonte di energia affidabile in grado di fornire energia sufficiente per l'applicazione desiderata. Ad esempio, sia l'energia solare che quella eolica possono fornire una discreta quantità di corrente, ma il sole non brilla sempre e il vento è incredibilmente imprevedibile. Anche utilizzando entrambi i metodi contemporaneamente, possono capitare giornate nuvolose e senza vento in cui un sistema energetico di questo tipo non produrrebbe quasi nulla.
Anche altre fonti di energia naturale, come quella meccanica e quella termica, sono incredibilmente inaffidabili e cercare di generare una quantità di corrente sufficiente a far funzionare anche il più semplice dei sensori è davvero impegnativo. Un altro problema per i sistemi di raccolta di energia è la richiesta di corrente da parte della stragrande maggioranza dei dispositivi: trovare un sistema IoT che utilizzi il Wi-Fi e consumi meno di 100 mW quando è attivo è a dir poco difficile.
Cosa sta cambiando e quale può essere il contributo della tecnologia?
Anche se i dispositivi di raccolta dell'energia non sono pratici per i dispositivi attualmente in uso, i miglioramenti tecnologici stanno producendo dispositivi che potrebbero funzionare interamente grazie a sistemi di raccolta dell'energia.
Il primo miglioramento tecnologico che apporta un contributo notevole è la riduzione delle dimensioni dei transistor. In generale, rimpicciolire i transistor permette di inserirne di più in un chip; tuttavia, riducendo le dimensioni si riduce anche il consumo energetico di ciascun transistor. In questo modo, i dispositivi che utilizzano transistor più piccoli non solo diventano più potenti, ma consumano meno corrente per ogni transistor e quindi possono avere requisiti di alimentazione più bassi.
Il secondo miglioramento tecnologico è l'uso di design di alimentazione intelligenti che sono incredibilmente efficienti, come i convertitori CC-CC specializzati, o utilizzano sistemi di riattivazione che consumano corrente solo quando necessario. Il design di alimentazione intelligente permette quindi di realizzare dispositivi che non solo possono funzionare con fonti di energia che forniscono una potenza istantanea più bassa, ma hanno anche un consumo energetico totale inferiore e richiedono quindi meno corrente per ogni burst di funzionamento.
Il terzo fattore che sta contribuendo a migliorare i raccoglitori di energia, e i dispositivi che questi devono alimentare, è la crescente domanda commerciale di dispositivi remoti che non richiedono batterie interne. Per alcuni dispositivi, come i campanelli, può essere necessario il collegamento a una rete, ma devono essere accesi solo quando qualcuno preme il campanello. L'interruttore viene sostituito con un raccoglitore di energia piezoelettrico e il risultato è che, una volta premuto, il dispositivo si accende, invia un messaggio a un sistema di allarme e quindi si spegne.
In che modo i raccoglitori di energia possono cambiare l'IoT?
Se si riuscisse a incorporare tecniche affidabili di raccolta dell'energia nelle tecnologie IoT, sarebbe un risultato storico. Dal momento che le tecnologie IoT si concentrano su sensori di piccole dimensioni con funzionalità di rete, sarebbe possibile effettuare rapidamente implementazioni su larga scala senza dover trovare fonti di energia. Questo permetterebbe di montare i dispositivi praticamente ovunque senza mai dover sostituire o ricaricare la batteria.
La raccolta di energia nei dispositivi IoT potrebbe anche semplificare l'installazione della domotica: l'assenza di cavi di alimentazione o di comunicazione consente di aggiungere rapidamente i dispositivi IoT a una rete domestica. Tuttavia, le funzionalità dei dispositivi dipenderebbero dalle fonti energetiche disponibili ed è quindi improbabile che vengano realizzati dispositivi come telecamere e monitor audio. I dispositivi IoT di questo tipo saranno probabilmente pulsanti intelligenti che eseguono azioni specifiche quando vengono premuti, ad esempio ordinare altri articoli, aprire porte e finestre o impostare controlli ambientali.
Miti relativi alla raccolta di energia
Anche se la raccolta di energia può sembrare la risposta tecnologica a molti degli attuali problemi dei dispositivi IoT (e non solo), è importante che i progettisti comprendano la differenza tra raccoglitori di energia e ladri di energia. Molti dei cosiddetti raccoglitori di energia sono in realtà dei ladri di energia e possono comportare un aumento delle emissioni di gas serra.
I dispositivi piezoelettrici che producono elettricità dall'energia meccanica sono un buon esempio e funzionano bene negli interruttori (come i campanelli). Tuttavia, quelli inseriti nelle strade per assorbire l'energia vibrazionale delle auto possono aumentare la resistenza della strada all'auto e questo comporta, a sua volta, un aumento del consumo di carburante dell'auto.
I raccoglitori radio che assorbono le onde radio riducono sostanzialmente la potenza del segnale e quindi il numero complessivo di dispositivi che possono utilizzare la rete. Anche se in molti casi la quantità può essere minima, milioni di sensori comportano una perdita netta di capacità radiativa e così la sorgente radio avrà bisogno di una maggiore potenza per raggiungere la stessa portata e qualità del segnale.
I dispositivi elettromeccanici accoppiati agli alimentatori di rete prelevano corrente dalla rete tramite l'accoppiamento capacitivo. Pertanto, le fonti di energia collegate alla rete devono produrre più corrente per compensare la perdita causata dai raccoglitori di energia. Anche in questo caso, se è vero che singoli raccoglitori di energia possono essere insignificanti, molti milioni di raccoglitori di energia possono produrre un carico considerevole.
La raccolta di energia è una soluzione pratica?
Allo stato attuale della tecnologia, i raccoglitori di energia sono più che altro una novità e non qualcosa che possa essere prodotto in serie e utilizzato per i prodotti moderni. L'uso delle tecnologie NFC consente di realizzare dispositivi leggibili che si attivano solo in prossimità di un lettore, ormai in uso da quasi due decenni, ma i dispositivi IoT in grado di assorbire la loro energia ambientale sono pochi e poco diffusi.
Un altro problema di questi dispositivi è che può essere quasi impossibile localizzarli se funzionano solo quando è necessario (ad esempio, i dispositivi in sospensione avanzata), e questo può portare a un problema di tipo diverso: la privacy. I dispositivi che passano la maggior parte del tempo ad assorbire energia, per poi funzionare in burst, non solo sarebbero quasi impossibili da localizzare, ma potrebbero anche essere utilizzati per attività di spionaggio e sorveglianza. Un dispositivo IoT cellulare potrebbe trascorrere 23 ore in carica e utilizzare una finestra di 1 minuto per connettersi a una rete cellulare, ascoltare con un microfono, caricare il contenuto e quindi spegnersi. Anche se la finestra di 1 minuto è piccola, il sensore potrebbe attivarsi quando rileva l'apertura di una porta, l'avvio di un computer o la presenza di un tag NFC.
Conclusione
I raccoglitori di energia possono creare dispositivi IoT estremamente pratici che non richiedono fili o fonti di energia sostituibili. I dispositivi di questo tipo potrebbero essere facilmente installati in ambienti difficili e la capacità di utilizzare tecnologie wireless ne consentirebbe l'implementazione in massa.
