Alimentare un futuro più verde con le celle fotovoltaiche

Richard Bethell, direttore tecnico di Solid State Supplies, illustra i casi d'uso delle celle fotovoltaiche (PV) da esterno per la raccolta di energia e le possibilità di monitoraggio remoto che offrono

  • 30 Maggio 2022
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  • La tecnologia di energy harvesting è una "tecnologia abilitante" che espande l'uso e le opportunità di utilizzo dell'IoT, arricchisce la vita e migliora la resilienza sociale
    La tecnologia di energy harvesting è una "tecnologia abilitante" che espande l'uso e le opportunità di utilizzo dell'IoT, arricchisce la vita e migliora la resilienza sociale

Il futuro della fine della dipendenza dalle batterie alcaline e dell'energy harvesting e si sta avvicinando rapido, come evidenzia la crescente domanda di soluzioni elettriche in grado di fornire potenza sempre maggiore.

Batterie monouso e riciclabili

I progettisti di alimentatori che cercano l'indipendenza dalla rete elettrica per applicazioni a bassa potenza utilizzano spesso, per questi progetti, alimentazione a batteria. Tuttavia, le batterie monouso possono essere nocive per l'ambiente se non vengono smaltite correttamente. Le sostanze chimiche delle batterie incenerite o gettate in discarica possono inquinare laghi e corsi d'acqua, vaporizzarsi nell'aria o penetrare nelle falde acquifere, liberando nell'ambiente acidi e basi altamente corrosivi. Le batterie ricaricabili sono un'alternativa molto più ecologica rispetto alle batterie monouso, ma richiedono comunque il collegamento alla rete elettrica una volta esaurita la carica: una soluzione potenzialmente costosa e che comporta interventi e manutenzioni onerose da parte dei tecnici dell'assistenza.

Energy harvesting dall’ambiente

Una soluzione alternativa è l'energy harvesting, pratica tramite cui l'energia viene raccolta dall'ambiente circostante. Ciò consente un funzionamento perpetuo senza necessità di connessione alla rete e con costi di manutenzione molto bassi, o nulli. Le principali tecniche di raccolta dell'energia utilizzate per le applicazioni autonome sono innanzitutto l'energia solare esterna, che è la più efficiente, seguita dai generatori termoelettrici, dalle vibrazioni e infine dalla trasmissione RF. Esistono anche altre tecniche di raccolta dell'energia attualmente in fase di sviluppo, come le celle a combustibile e le biocelle. Tutte queste tecnologie generano energia che viene poi immagazzinata in batterie e supercondensatori. L'integrazione di tecniche di raccolta dell'energia con elementi di stoccaggio nei tag attivi li trasforma in tag attivi autonomi.

I vantaggi delle celle fotovoltaiche

L'energy harvesting fotovoltaico è una delle soluzioni più diffuse e utilizza una cella PV - un array rigido o flessibile che trasforma i fotoni in energia elettrica. Le celle fotovoltaiche sono ampiamente applicabili, dato che una fonte di luce è disponibile nella maggior parte degli ambienti, sia all'interno che all'esterno. Inoltre, hanno un costo relativamente basso e una potenza di uscita superiore rispetto a molte altre soluzioni alternative di raccolta dell'energia. Tuttavia, perché l’utilizzo sia continuativo, è necessario applicarvi un metodo di immagazzinamento dell'energia che consenta all'applicazione di funzionare anche in assenza di luce. I supercondensatori sono attualmente utilizzati per questo scopo e uno dei loro vantaggi è che hanno una durata molto più lunga rispetto alle batterie. In molti casi possono durare fino a 15 anni e hanno il vantaggio di poter fornire correnti di picco elevate per le applicazioni dei trasmettitori RF.

Applicazioni interne ed esterne

Le celle fotovoltaiche sono più comunemente utilizzate in applicazioni esterne, ma possono essere impiegate anche in ambienti interni, come uffici o ospedali, dove l'illuminazione a LED è accesa quasi costantemente per 8-12 ore al giorno. Tuttavia, indipendentemente dal fatto che la cella fotovoltaica sia destinata all'uso interno o esterno, è necessario collegarla a un accumulatore di energia e considerare i seguenti aspetti:

  1. Quanta energia  necessaria?
  2. È necessario utilizzare un condensatore, un supercondensatore o una batteria ai polimeri di litio (LiPo) per immagazzinare energia?
  3. È necessario aggiungere una batteria primaria come cella di mantenimento durante i periodi di buio/spegnimento?

Energia immagazzinata in elementi ricaricabili

Una cella fotovoltaica con un'architettura di raccolta dell'energia efficiente e flessibile è la chiave per rispondere a queste domande. Si potrebbe utilizzare l'AEM10941 di E-peas, un circuito integrato di gestione dell'energia che estrae l'energia CC da pannelli solari fino a 7 celle (vedere la Fig. 1 sotto). Questo tipo di cella fotovoltaica elimina l'elemento di accumulo della batteria usa e getta in un'ampia gamma di applicazioni wireless, come il monitoraggio industriale, la geolocalizzazione, la domotica, il monitoraggio della salute e i nodi di sensori wireless. L'energia viene immagazzinata in un elemento ricaricabile e fornisce al sistema due tensioni regolate in modo indipendente. L'AEM10941 è caratterizzato da livelli molto bassi di energia in ingresso all'harvester, con un avvio a freddo da una tensione di ingresso di 380 mV e 3 μW (tipici). Grazie al design molto efficiente dell'architettura del chip, l'AEM10941 può raccogliere energia anche in una giornata nuvolosa, quando i livelli di luce in ingresso sono bassi. Supporta inoltre l'ingresso aggiuntivo di una cella di mantenimento (batteria primaria a lunga durata) per garantire la carica dell'elemento di accumulo quando non avviene la raccolta. Si tratta di opzioni di accumulo flessibili, a seconda che si scelga un condensatore, un supercondensatore o una batteria.

Monitoraggio dei livelli dell'acqua

A causa dell'evoluzione verso un mondo autonomo e connesso, gli ingegneri stanno sviluppando dispositivi adattabili a numerose applicazioni in grado di stabilire una connessione con altri dispositivi. I loro progetti devono essere wireless e utilizzare il più possibile l'energia fornita dalla natura. Le celle fotovoltaiche possono essere utilizzate nei sensori distribuiti per misurare il livello dell'acqua nelle aree soggette a inondazioni. Questi nodi sensore devono essere sempre operativi per garantire un monitoraggio costante ed evitare la perdita di dati di campionamento. I nodi sono spesso situati in remoto, quindi la loro fonte di energia non può dipendere dalla rete o da una batteria che deve essere ricaricata o sostituita regolarmente. Una cella di raccolta dell'energia fotovoltaica consente ai nodi di essere autosufficienti e di rimanere continuamente operativi, trasferendo i dati attraverso un modulo wireless LoRa o NB-IoT. I dati vengono poi elaborati e memorizzati attraverso una struttura web in cui viene implementata la funzione di allarme se è necessario intervenire.

Tracciamento del bestiame con smart tag a raccolta di energia

La raccolta di energia può essere utilizzata anche per alimentare i sensori e gli strumenti di comunicazione sui tracker intelligenti per monitorare a distanza i movimenti del bestiame nelle aziende agricole. Ciò consente di raccogliere dati preziosi sulle mandrie di bestiame, fornendo informazioni sulla loro posizione e sui modelli di pascolo, con la possibilità di impostare allarmi se gli animali non si muovono come previsto o hanno superato un confine. Il tracker è attaccato all'orecchio dell'animale e contiene un accelerometro, un modulo di comunicazione LoRa, un ricetrasmettitore GPS, un tag NFC passivo e una cella fotovoltaica per la raccolta di energia come fonte di alimentazione. Le dimensioni della cella fotovoltaica devono essere dimensionate in base ai requisiti di potenza dell'applicazione.

Il futuro luminoso dell'energy harvesting

La tecnologia di energy harvesting è una "tecnologia abilitante" che espande l'uso e le opportunità di utilizzo dell'IoT, arricchisce la vita e migliora la resilienza sociale. La bassa corrente e la maggiore potenza del processore e della memoria dei dispositivi embedded fanno sì che essi possano sostenere una maggiore durata operativa sul campo prima di essere sostituiti. Utilizzando l'energy harvesting e sostituendo le batterie con i supercondensatori come accumulatori di energia, gli ingegneri hanno a disposizione un modo più ecologico di alimentare i dispositivi IoT.