Potenza RF: Come funziona la raccolta di energia RF

Perché non installare una piccola antenna per catturare parte di quella radiofrequenza e raddrizzarla? Sarà facile ottenere circa un microwatt e usarlo per caricare lentamente una batteria o un supercapacitore. Sarà sufficiente per alimentare un dispositivo IoT che deve accendersi solo occasionalmente, trasmettere una lettura e poi tornare in modalità riposo. Successivamente, quando il nostro dispositivo IoT si riattiva, la raccolta di RF riprende e una quantità sufficiente di energia immagazzinata sarà pronta per il prossimo risveglio.

Beh, almeno questa è la teoria. E sembra piuttosto buona. Dopotutto, una stazione televisiva emette una quantità enorme di RF. Solo una piccola frazione di essa viene dissipata nei circuiti di rilevamento dei totali combinati di tutti i televisori sintonizzati. Il resto è lì fuori, in attesa di essere raccolto.

Tecniche di recupero RF

La raccolta di energia RF inizia con un'antenna. Un'antenna specifica può raccogliere in modo efficiente solo energia irradiata da un vicino gruppo di frequenze. Un buon punto di partenza è l'esempio delle frequenze TV UHF e VHF. Anche a 500 MHz, un dipolo sarebbe lungo 0,3 metri. Questo già rappresenta un segnale di allarme, poiché si tratta di una quantità piuttosto grande di spazio dedicata a raccogliere quella che sarà una quantità abbastanza piccola di energia. Inoltre, l'antenna deve essere posizionata in un'orientazione spaziale specifica rispetto all'antenna trasmittente della stazione TV. E entrambe queste esigenze rendono impraticabile l'uso per un dispositivo indossabile.

L'antenna ricevente del dispositivo di raccolta presenta un'impedenza di 50 ohm, che deve essere adattata all'impedenza di ingresso del resto del dispositivo. La tensione raccolta dall'antenna deve essere quindi aumentata ad almeno un volt affinché possa essere rettificata in corrente continua (DC). Questo può essere fatto con un sistema chiamato pompa di carica, che aumenta la tensione ma, naturalmente, non può aumentare la potenza totale delle radio frequenze (RF).

Ricerca sulla raccolta di energia RF

Una serie interessante di esperimenti ruota attorno alla raccolta di energia RF generata da una stazione televisiva di trasmissione di Tokyo, Giappone, a una distanza di 6,5 km. Il diagramma a blocchi del progetto è il seguente.

Figura 1: Rappresentazione di una descrizione a livello di sistema di un dispositivo di raccolta di energia RF. (Fonte: “A Battery-Less, Energy Harvesting Device for Long Range Scavenging of Wireless Power from Terrestrial TV Broadcasts,” Georgia Institute of Technology)

Il progetto è stato condotto presso il Georgia Institute of Technology in collaborazione con ricercatori dell'Università di Tokyo. In questa implementazione, il suddetto charge pump è contenuto all'interno del blocco RF-DC.

I risultati importanti del progetto sono riassunti nel diagramma seguente. I blocchi verdi rappresentano la quantità di potenza—in microwatt—catturata alla distanza rilevante di 6,5 km dall'antenna dalle emissioni a frequenze UHF caratteristiche della TV giapponese. Le bande blu e rosse rappresentano la potenza necessaria per caricare il supercondensatore menzionato nel diagramma a blocchi a 1,8 volt e 3,0 volt, rispettivamente.

Figura 2: Il supercondensatore è stato caricato fino a 2,9 volt in un tempo ragionevole. (Fonte: “A Battery-Less, Energy Harvesting Device for Long Range Scavenging of Wireless Power from Terrestrial TV Broadcasts,” Georgia Institute of Technology)

Limitazioni della raccolta di energia RF

I sostenitori della raccolta di energia RF a distanza per i dispositivi IoT affermano che questo approccio sarebbe utile per alimentare un sensore remoto in un'area urbana. Ma, come abbiamo visto, è necessario un'antenna relativamente lunga, che deve essere orientata con precisione verso una stazione TV o un'altra fonte di energia. Inoltre, se la fonte di energia si sposta o cambia, tutti i dispositivi IoT corrispondenti devono essere riallineati. Questo vanifica tutto lo scopo della raccolta di energia per l'IoT, che è quello di evitare il compito di accedere fisicamente al dispositivo alimentato. I requisiti dell'antenna da soli rendono impraticabile la raccolta di energia a distanza per i dispositivi indossabili.

Quando si considera che l'incidenza dell'energia solare è di gran lunga superiore alla quantità di RF consentita nelle aree di popolazione generale ovunque nel mondo sviluppato, è difficile giustificare l'implementazione. Inoltre, la situazione probabilmente non cambierà, poiché esiste un limite alla quantità di potenza RF che può incidere su qualsiasi spazio aperto al pubblico generale. Se mai, i limiti rischiano di essere ridotti, dato che l'esposizione ai RF è esaminata con preoccupazione a causa dei possibili rischi per la salute delle persone.

Quando si considera che l'incidenza dell'energia solare è di gran lunga maggiore rispetto alla quantità di RF permessa nelle aree della popolazione generale in qualsiasi parte del mondo sviluppato, risulta difficile giustificarne l'impiego. Inoltre, è improbabile che la situazione cambi, poiché esiste un limite alla quantità di potenza RF che può essere presente in uno spazio accessibile al pubblico generale. In ogni caso, è probabile che i limiti vengano ulteriormente ridotti, poiché l'esposizione alle RF viene esaminata con preoccupazione a causa dei potenziali rischi per la salute delle persone.

I sostenitori della raccolta di energia RF remota per i dispositivi IoT affermano che questo approccio potrebbe essere utile per alimentare un sensore remoto in un'area urbana. Tuttavia, come abbiamo visto, è necessaria un'antenna relativamente lunga, che deve essere orientata con precisione verso una stazione TV o un'altra fonte di alimentazione. E, se la fonte di alimentazione cambia o si sposta, tutti i dispositivi IoT corrispondenti devono essere riallineati. Questo contraddice l'intero scopo di implementare la raccolta di energia per l'IoT, ovvero evitare il compito di accedere fisicamente al dispositivo che si desidera alimentare. I soli requisiti per l'antenna rendono impraticabile la raccolta di energia remota per i dispositivi indossabili.

Soluzioni per il recupero dell'energia RF

RF direzionato per la raccolta di energia

Ci sono situazioni in cui un sensore viene installato in un'area di difficile accesso o forse in un'area pericolosa per gli esseri umani. In questi casi, è stato sviluppato un metodo in cui il sensore viene alimentato non tramite la raccolta di energia casuale, ma attraverso la raccolta di energia specificamente indirizzata al sensore. Invece di dipendere dalle incertezze di un'antenna complicata o dalla presenza o assenza di un segnale TV, un tecnico può dirigere un trasmettitore RF sull'unità da una distanza sicura.

Powercast Corporation offre un kit di valutazione per aiutare le organizzazioni a esplorare le possibilità di questa tecnologia. Il kit di valutazione P2110-EVAL-02 dell'azienda è disponibile presso Arrow Electronics. Il datasheet rivela che include un trasmettitore RF, un ricevitore, un'antenna e una scheda di ricarica per sfruttare l'energia trasmessa. E certamente, un'altra area importante da esplorare è l'RFID.

RFID - Identificazione a Frequenza Remota

L'identificazione a radiofrequenza, o RFID, utilizza segnali a onde radio per identificare un oggetto con tag. Il dispositivo che legge il tag lo irradia con un segnale RF che serve a due scopi. Innanzitutto, il tag—un minuscolo dispositivo elettronico— "raccoglie" la potenza RF incidente, che utilizza per alimentarsi. Successivamente, il tag, che contiene informazioni di identificazione digitale memorizzate, trasmette tali dati al lettore.

Il lettore ora conosce l'identità dell'oggetto che ha scansionato. I tag possono essere molto più piccoli rispetto ai tag con codice a barre visivi. Inoltre, un operatore umano può effettuare l'identificazione da una certa distanza, e il metodo si presta facilmente all'automazione.

Praticità della potenza RF

Quindi, a meno che non stiate progettando un regime IoT o di dispositivi indossabili per operare nello stesso edificio che ospita un trasmettitore televisivo, le prove suggeriscono fortemente che si tratterà di uno sforzo irrealistico e, in ultima analisi, impraticabile. D'altro canto, ci sono situazioni in cui la raccolta di energia RF da onde radio appositamente dirette può essere estremamente pratica.