SPS 2024 Web

SPECIALE SPS ITALIA 2024 31 La conversione fotovoltaica è un ambito sufficientemente maturo e l’alimentazione di nodi sensore è tecnica consolidata, quando si può contare su esposizione a luce solare per un tempo sufficientemente lungo. I convertitori meccano-elettrici (ME) da vibrazioni e/o movi- mento di una struttura sono tipicamente costituiti da una base, solidale con la struttura, collegata a una massa sismica attraverso un elemento elastico. Vibrazioni e/o movimento della struttura determinano un movimento relativo tra base e massa sismica con conseguente defor- mazione dell’elemento elastico. A seconda dell’effetto di conversione impiegato, il movimento o la deformazione producono una corrispon- dente uscita elettrica. I convertitori maggiormente studiati e utilizzati sono quelli basati su effetto di induzione elettromagnetica, effetto elettrostatico ed effetto piezoelettrico. Nei convertitori a induzione elettromagnetica, un ma- gnete permanente è accoppiato a uno o più avvolgimenti a costituire il sistema massa sismica-base. Il moto relativo tra base e massa sismica, causato da vibrazioni/movimento in ingresso, produce per induzione ai capi dell’avvolgimento una tensione proporzionale alla variazione nel tempo del flusso magnetico. Per ottenere livelli di tensione adeguati sono necessari avvolgimenti con un numero di spire sufficientemente alto. I convertitori elettrostatici comprendono una capacità le cui armature sono solidali rispettivamente con base e massa sismica. Se la capacità è mantenuta in condizioni di carica costante, vibrazioni/movimento in ingresso producono un moto relativo tra le armature e una conse- guente tensione proporzionale alla variazione nel tempo della capacità. La necessità di garantire una condizione di precarica della capacità è una limitazione importante. Come soluzione, i convertitori elettrostatici sono utilizzati in tampone all’alimentazione a batteria, oppure incorpo- rano elettreti per la carica della capacità. I convertitori piezoelettrici, invece, sfruttano l’effetto secondo cui alcuni materiali soggetti a una deformazione meccanica rispondono con una carica superficiale indotta. Tipici materiali piezoelettrici sono: quarzo, ceramiche ferroelettriche polarizzate della famiglia del PZT (zirconato titanato di piombo), film plastici quali il Pvdf (polivinildenfluoruro), AlN e ZnO. Il materiale piezoelettrico costituisce l’elemento elastico del convertitore che si deforma in risposta a vibrazioni/movimento in ingresso. Sono possibili differenti configurazioni, le più semplici delle quali si basano su elementi in flessione, quali travi a doppio incastro o a estremo libero (cantilever). Dal punto di vista delle tecnologie di fabbricazione dei convertitori ME, sono attualmente sperimentate soluzioni sempre più compatte e miniaturizzate, anche verso dispositivi Mems. In generale, tuttavia, i convertitori basati su equipaggio sismico non scalano favorevolmente al diminuire delle dimensioni. Infatti, fissata la densità energetica della sollecitazione meccanica in ingresso, la potenza disponibile decresce con il volume. Inoltre, l’uscita elettrica massima è prodotta in condi- zioni di risonanza e convertitori piccoli hanno frequenze proprie ti- picamente più elevate delle frequenze associate alle vibrazioni delle sorgenti più diffuse (non oltre pochi kHz), con un conseguente signi- ficativo disadattamento. In aggiunta, vibrazioni/movimento ad ampio spettro, o con contenuto armonico tempo variante, spesso presenti nelle applicazioni reali, rappresentano condizioni di funzionamento non ottimale, a detrimento delle prestazioni di conversione energe- tica. La ricerca è attualmente in corso per ovviare a queste importanti Fonte: foto Shutterstock Le soluzioni di EH promettono di garantire il funzionamento prolungato dei dispositivi impiegati in applicazioni IoT