Sembra tutto molto semplice e, a prima vista, sensato. Viviamo in un mondo caratterizzato da segnali elettronici come quelli di radio, TV, Wi-Fi e cellulari. Grazie all'introduzione dei dispositivi mobili, indossabili e dell'IoT, una delle principali preoccupazioni dei reparti di ricerca e sviluppo del settore dell'elettronica è stato quello di sviluppare applicazioni a basso consumo di energia.
Una delle soluzioni potrebbe essere l'aggiunta di una piccola antenna per captare parte delle radiofrequenze e rettificarla. Sarebbe possibile ottenere all'incirca un microwatt e utilizzarlo per ricaricare una batteria o un supercondensatore. Sarebbe sufficiente ad alimentare un dispositivo IoT utilizzato sporadicamente per trasmettere una lettura ed essere nuovamente disattivato. Alla successiva accensione del dispositivo IoT, la raccolta riprenderebbe e si accumulerebbe sufficiente energia per la successiva attivazione.
Teoricamente, potrebbe funzionare e sarebbe un'ottima soluzione. In fin dei conti, una stazione TV irradia una quantità enorme di energia RF. Solo una minima frazione di tale energia viene dissipata nelle fasi di rilevamento dei totali combinati di tutti i ricevitori TV sintonizzati. Il resto è a disposizione, in attesa di essere raccolto.
Nel laboratorio di ricerca
Il raccolto dell'energia RF inizia con un'antenna. Una data antenna può raccogliere efficacemente l'energia irradiata da frequenze in prossimità. Un buon punto di inizio è l'esempio di TV UHF e VHF. Persino a 500 mHz, un dipolo avrebbe una lunghezza di 0,3 metri. Già questo costituirebbe un problema perché la raccolta di una quantità minima di energia comporterebbe costi ingenti. Inoltre, l'antenna deve essere posizionata con un orientamento spaziale specifico rispetto all'antenna di trasmissione della stazione TV. Entrambi i requisiti rendono la soluzione non praticabile per un dispositivo indossabile.
L'antenna ricevente del racimolatore ha un'impedenza di 50 ohm, che deve corrispondere a quella di input del resto del dispositivo. La tensione raccolta in prossimità dell'antenna deve quindi essere portata a una tensione tale da poter essere convertita in CC. Tale operazione può essere effettuata tramite una pompa di carica, che aumenta la tensione ma, ovviamente, non è in grado di aumentare la potenza totale.
Un'interessante serie di esperimenti si incentra sulla raccolta dell'energia RF generata da una stazione televisiva giapponese di Tokio a una distanza di 6.5 km. Di seguito è riportato il diagramma a blocchi del progetto.
Figura 1: Rappresentazione di una descrizione a livello di sistema di un dispositivo di energy harvesting. (Fonte: "2A Battery-Less, Energy Harvesting Device for Long Range Scavenging of Wireless Power from Terrestrial TV Broadcasts", Georgia Institute of Technology)
Il progetto è stato sviluppato presso il Georgia Institute of Technology in collaborazione con ricercatori dell'Università di Tokio. In questa implementazione, la pompa di carica indicata sopra è contenuta nel blocco RF-CC.
Gli importanti risultati del progetto sono riepilogati nello schema successivo. I blocchi verdi rappresentano la quantità di energia, in microwatt, catturata dall'antenna a una distanza di 6,5 km dalle emissioni su frequenze UHF, caratteristiche della TV giapponese. Le bande blu e rosse rappresentano la potenza necessaria a caricare il supercondensatore indicato nel diagramma a blocchi rispettivamente a 1,8 volt e a 3,0 volt.
Figura 2: Il supercondensatore è stato caricato a 2,9 volt in un intervallo di tempo ragionevole. (Fonte: "2A Battery-Less, Energy Harvesting Device for Long Range Scavenging of Wireless Power from Terrestrial TV Broadcasts", Georgia Institute of Technology)
L'impraticabilità dell'energy harvesting
Chi supporta la raccolta a distanza per i dispositivi IoT afferma che questo approccio risulterebbe utile per alimentare un sensore remoto in un'area urbana. Tuttavia, come si è visto, è necessario utilizzare un'antenna relativamente lunga che deve essere rigidamente orientata verso una stazione televisiva o un'altra fonte di alimentazione. Se la fonte di alimentazione si sposta o viene modificata, è necessario riallineare tutti i corrispondenti dispositivi IoT. Ciò va contro lo scopo di distribuire l'energy harvesting ai dispositivi IoT, ovvero di evitare di accedere fisicamente al dispositivo alimentato. I requisiti dell'antenna, inoltre, rendono impraticabile l'energy harvesting per i dispositivi indossabili.
Se si considera che l'incidenza dell'energia solare è molto superiore alla quantità di RF consentita nelle aree residenziali del mondo, risulta difficile giustificare la distribuzione. Inoltre, la situazione probabilmente non cambierà, poiché vi sono limiti all'emissione di potenza RF negli spazi aperti al pubblico. È molto probabile che tali limiti vengano ulteriormente ridotti, poiché l'esposizione all'energia RF potrebbe causare rischi per la salute delle persone.
Applicazioni pratiche dell'energy harvesting
RF dedicata per l'energy harvesting
Vi sono casi in cui si utilizzano sensori in aree di difficile accesso o pericolose per le persone. Per questi casi, è stato sviluppato un metodo in cui un sensore viene alimentato dalla raccolta di energia specificatamente indirizzata al sensore, anziché da potenza casuale. Anziché affidarsi all'incertezza di un'antenna o dalla presenza o assenza di un segnale TV, il tecnico può illuminare un trasmettitore RF sull'unità da una distanza di sicurezza.
Powercast Corporation offre un kit di valutazione per aiutare le aziende a esplorare le possibilità di questa tecnologia. Il kit di valutazione P2110-EVAL-02 è disponibile presso Arrow Electronics. Le schede dati mostrano che include un ricevitore e un trasmettitore RF, un'antenna e una scheda di carica per raccogliere la potenza emessa. Un'altra area di sicura importanza è quella RFID.
RFID - Remote Frequency Identification
La tecnologia RFID, identificazione a radio frequenza, utilizza le onde radio per identificare un oggetto con tag. Il dispositivo che legge il tag utilizza un segnale RF per due scopi principali. Innanzitutto, il dispositivo elettronico che costituisce il tag "raccoglie" l'energia RF incidente e la utilizza per alimentarsi. Quindi il tag, che contiene informazioni di identificazione digitale, trasmette tali dati al lettore.
Il lettore a questo punto conosce l'identità dell'elemento acquisito. I tag possono avere dimensioni molto ridotte in confronto ai codici a barre. Inoltre, un addetto può effettuare l'identificazione a distanza poiché questo approccio può essere facilmente automatizzato.
In sintesi
Pertanto, a meno che non si stia progettando un IoT o dispositivi indossabili per l'utilizzo nello stesso edificio in cui si trova un trasmettitore IT, tutto porta a pensare che sia un'operazione impraticabile. D'altro canto, in alcuni casi la raccolta di energia RF di onde radio specificamente dirette può essere molto pratica e utile.
