Con la mancanza di esperienza nella progettazione analogica all’interno dei team di design, non è facile progettare sistemi di energy harvesting efficaci destinati agli edifici ecosostenibili. Uno dei principali ostacoli è la gestione dell’energia associata all’acquisizione remota tramite sensori wireless. Esistono però soluzioni che possono gestire l’energia estratta da quasi tutte le fonti termiche, consentendo così a un progettista di sistemi l’utilizzo di una fonte ambientale per generare energia. Questo non solo riduce l’uso di combustibili fossili, ma contribuisce a rendere gli edifici più green per le generazioni attuali e future.
Gli smart building influenzeranno sempre più il modo di vivere quotidiano delle persone. Per di più, oltre a immagazzinare l’energia, gli edifici intelligenti contribuiranno al risparmio economico. Alcune tendenze IoT per smart building stanno già prendendo forma per favorire questa transizione. Un buon esempio è il modo in cui la manutenzione predittiva farà uso di sensori (IoT) e di altri dispositivi hardware per ottenere un informazioni sullo stato di un edificio commerciale, e di tutte le apparecchiature e servizi in esso contenute. Tutti i feedback raccolti permetteranno di pianificare la manutenzione quando necessaria, in modo tempestivo ed efficace. Inoltre, i problemi imprevisti che di solito emergono possono anch’essi essere superati utilizzando la manutenzione predittiva. Anche la qualità dell’aria all’interno di un ambiente lavorativo può influenzare negativamente tutte le attività svolte. Alcune ricerche realizzate nel settore industriale hanno dimostrato che i lavoratori sono il 10% più efficienti nelle loro attività all’interno di edifici con una buona qualità ambientale rispetto agli edifici più convenzionali. Anche in questo caso, i dispositivi IoT possono essere utilizzati per misurare e controllare la qualità dell’aria, così come i livelli di anidride carbonica, attraverso vari sensori parte di una rete mesh. Questi dispositivi sono connessi a tutte le aree dell’edificio, consentendo così il mantenimento di un ambiente più sano e di conseguenza più produttivo. Il futuro degli edifici intelligenti sarà caratterizzato dall’utilizzo di applicazioni supportate dall’IoT. Un buon esempio è l’uso della termografia per consentire ai gestori delle strutture di controllare se le apparecchiature mostrino anomalie nella temperatura di esercizio. In questo modo un guasto può essere facilmente rilevato, consentendo così di eseguire la manutenzione prima che l’apparecchiatura interrompa la sua normale attività. L’IoT trasformerà il modo in cui all’interno di strutture commerciali si potranno monitorare, misurare e raccogliere dati. L’installazione di sensori in varie parti dell’edificio permetterà di tracciare tutte le informazioni a cui non è mai stato possibile avere accesso in passato, coinvolgendo anche le aree più inaccessibili o troppo difficili da raggiungere. L’IoT consentirà inoltre la costruzione di edifici energeticamente sostenibili, e ciò influenzerà la loro progettazione rendendoli eco-compatibili ed efficienti dal punto di vista del consumo delle risorse. I sistemi di gestione smart degli edifici potranno essere controllati a distanza da qualsiasi luogo. Chiaramente, questo consente di risparmiare molta energia e denaro, riducendo al contempo i costi di manutenzione.
Uno degli impatti più importanti che l’IoT può avere sugli edifici è l’efficienza energetica. Le reti di sensori aiutano a fornire informazioni che aiutano i gestori a controllare i loro asset in modo più efficace, riducendo al contempo le emissioni per l’ambiente. Alcuni esempi sono:
- Utilizzo di sensori per il controllo della temperatura
- Utilizzo di attuatori per controlli HVAC
- Applicazioni più complesse come la completa automazione energetica
- Valutazione real time delle condizioni meteorologiche per ottimizzare i consumi
Rete di Sensori Wireless
Un’applicazione chiave per sistemi di energy harvesting è quella dei sensori radio nei sistemi di building automation. Negli Stati Uniti, gli edifici sono gli utenti numero uno della produzione di energia annua, seguiti da vicino dai segmenti del trasporto e dell’industria. Una rete wireless che utilizza la tecnologia di energy harvesting può collegare tra loro un grande numero di sensori allo scopo di ridurre i costi di HVAC ed elettricità, regolando la temperatura o spegnendo le luci in aree non essenziali quando l’edificio o le stanze all’interno non sono occupati. Inoltre, il costo dell’elettronica per l’energy harvesting è spesso inferiore a quello dei cablaggi di alimentazione o della manutenzione ordinaria necessaria, quindi è evidente che l’adozione di questa tecnologia comporta un vantaggio economico. Tuttavia, molti dei pregi derivati dall’uso di una rete di sensori wireless verrebbero meno se ogni nodo richiedesse una propria fonte di alimentazione esterna. Nonostante l’ottimizzazione nella gestione dell’alimentazione abbia permesso ai sistemi di funzionare più a lungo, anche questo ha i suoi limiti, e l’energy harvesting fornisce una risorsa complementare. L’energy harvesting è un mezzo per alimentare i nodi dei sensori wireless convertendo l’energia ambientale locale in energia elettrica. Le fonti di energia ambientale includono luce solare, differenze di temperatura, vibrazioni meccaniche, i segnali RF trasmessi, o qualsiasi fonte che può produrre una carica elettrica attraverso un trasduttore. Queste fonti di energia ci circondano e possono essere convertite in energia elettrica utilizzando trasduttori adatti. Un generatore termoelettrico (thermoelectric generator - TEG) lavora con il differenziale della temperatura: il TEG (o termopila) produce energia sfruttando le condizioni ambientali. Collegato ad una fonte di calore, come ad esempio i condotti HVAC, converte piccole differenze di temperatura in energia elettrica. Un elemento piezoelettrico per le vibrazioni, una cella fotovoltaica per la luce solare (o l’illuminazione interna), la produzione di energia galvanica attraverso l’umidità: questi sono tutti esempi di fonti di energia “free” che possono essere utilizzate per alimentare autonomamente componenti e sistemi elettronici. I nodi di sensori wireless oggi sono in grado di funzionare con potenze dell’ordine di µW, ed è possibile alimentarli tramite fonti non tradizionali. Questo ha portato all’energy harvesting, che fornisce il potere di caricare, integrare o sostituire le batterie in sistemi in cui il loro uso è scomodo, poco pratico, costoso o pericoloso. Anche i cablaggi convenzionali utilizzati per trasportare l’energia o per trasmettere dati possono essere eliminati. Una tipica configurazione di energy harvesting o nodo sensore wireless (WSN) è composta da quattro blocchi, come illustrato nella Figura 1. Questi sono:
-Fonti di energia ambientale;
-Un elemento trasduttore e un circuito di conversione di potenza per alimentare l’elettronica a valle;
-Un componente di sensing che collega il nodo al mondo fisico e un componente di calcolo costituito da un microprocessore o da un microcontrollore che elabora i dati di misura e li memorizza;
-Un componente di comunicazione costituito da una radio short-range per la comunicazione wireless con i nodi vicini e con il mondo esterno.
Una volta che l’energia elettrica è stata prodotta, può essere convertita da un circuito di energy harvesting e modificata in una forma adatta ad alimentare l’elettronica a valle. Un microprocessore può dunque attivare un sensore per effettuare una lettura o una misurazione, che può poi essere gestita da un convertitore analogico-digitale (ADC) per la trasmissione tramite un transceiver wireless a bassissima potenza.
Naturalmente, la quantità di energia fornita dalla fonte di raccolta dipende dal tempi in cui la fonte è in funzione. Pertanto, la metrica primaria per la comparazione delle fonti di energy harvesting è la densità di potenza, non la densità di energia. L’energy harvesting è generalmente soggetto a bassi, variabili e imprevedibili livelli di potenza disponibile, per cui viene spesso utilizzata una struttura ibrida che si interfaccia con l’harvester e con un serbatoio di energia secondaria. L’harvester, a causa della sua fornitura di energia illimitata ma carente di potenza, è la fonte del sistema, cui viene affiancato il serbatoio di energia secondaria, una batteria o un condensatore, in grado di produrre una maggiore potenza in uscita, ma di immagazzinare meno energia. Il serbatoio fornisce potenza solo quando necessario ma riceve regolarmente la carica dall’harvester. Così, in situazioni in cui non c’è energia ambientale da cui raccogliere energia, il serbatoio di energia secondaria alimenta comunque il sensore wireless.
Per progettare con successo un sensore wireless completamente autonomo, è necessario disporre di microcontrollori e trasduttori che consumino una minima quantità di energia elettrica da ambienti a bassa disponibilità energetica. Le implementazioni esistenti di tali blocchi di energy harvesting sono mostrate nella Figura 1. Questi consistono normalmente in configurazioni discrete a basse prestazioni, che di solito comprendono 30 o più componenti. Tali configurazioni hanno una bassa efficienza di conversione ed elevate correnti quiescenti. Queste carenze si traducono in un compromesso prestazionale del sistema finale. Poiché le alte correnti quiescenti limitano il valore minimo della corrente erogabile della sorgente di energy harvesting, essa deve prima superare il livello di corrente necessario per il proprio funzionamento prima di poter fornire qualsiasi surplus di potenza all’uscita. È a questo punto che l’offerta di prodotti Power by LinearTM (PbL) di Analog Devices può portare ad un nuovo livello di prestazioni e semplicità.
Un esempio di Energy Harvesting
LTC3109 è un convertitore DC-DC altamente integrato, con funzioni di power management. È in grado di raccogliere e gestire l’energia in eccesso da fonti di tensione in ingresso estremamente basse come TEG, termopile e persino piccole celle solari. La sua esclusiva topologia gli permette di operare con tensioni di ingresso fino a 30 mV, indipendentemente dalla polarità. Il circuito in Figura 2 utilizza due trasformatori compatti step-up per innalzare la tensione in ingresso all’LTC3109, che fornisce quindi una soluzione completa di power management per il rilevamento wireless e l’acquisizione dei dati.
Esso può raccogliere piccole differenze di temperatura e generare l’alimentazione del sistema invece di utilizzare la tradizionale alimentazione a batteria.
La tensione in corrente alternata prodotta sull’avvolgimento secondario di ogni trasformatore viene innalzata con un condensatore di charge pump esterno e raddrizzata con rettificatori sincroni interni all’LTC3109. Questo circuito raddrizzatore alimenta la corrente nel pin VAUX, fornendo la carica al condensatore esterno VAUX e poi alle altre uscite. Il regolatore LDO interno da 2.2 V può supportare un processore o altri circuiti integrati a bassa potenza.
Cos’è l’energy harvesting
Tutto sta diventando green nella mentalità ecologica moderna. Il concetto di energy harvesting esiste da oltre un decennio, tuttavia l’implementazione di sistemi alimentati a energia ambientale è sempre stato un grosso ostacolo, complesso da risolvere e oneroso a livello economico. Ciononostante, casi in cui è stato utilizzato con successo un approccio di energy harvesting includono infrastrutture di trasporto, dispositivi medicali wireless, il rilevamento della pressione degli pneumatici e applicazioni di building automation. In particolare, nel caso dei sistemi di automazione degli edifici, per dispositivi come i sensori di presenza, i termostati e persino gli interruttori della luce è stato eliminato il cablaggio di alimentazione o di controllo normalmente associato alla loro installazione, e si utilizzano invece sistemi di energy harvesting. La costruzione di smart building in grado di risparmiare energia, destinati ad accogliere sia strutture commerciali che residenziali, è l’obiettivo primario per garantire che in futuro le strutture utilizzino sempre meno fonti di energia derivate da combustibili fossili. Nel caso degli edifici commerciali, renderli smart può essere fondamentale per il gestore, poiché disporre di un edificio gestibile ed efficiente dal punto di vista energetico aiuta a ridurre i costi e allo stesso tempo fornisce un ambiente migliore per tutti coloro che svolgono attività al suo interno. Tuttavia, arrivare a questo punto non è privo di ostacoli: ad esempio, questa tipologia di edifici richiederà un’infrastruttura in grado di fornire tutti i feedback necessari per consentire il funzionamento efficiente dei sistemi di riscaldamento, raffreddamento, il controllo dell’illuminazione e l’utilizzo ottimizzato degli spazi. Tutto ciò molto probabilmente richiederà l’utilizzo dell’Internet of Things (IoT) come metodologia per monitorare e controllare l’ambiente e aumenterà la loro dipendenza da fonti energetiche alternative per gestirle e controllarle efficacemente.
