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32 SPECIALE SPS ITALIA 2024 limitazioni; in particolare, si studiano convertitori innovativi, basati per esempio su fenomeni non lineari, per allargare la banda di conversione verso le basse frequenze e migliorare la risposta a sollecitazioni a largo spettro e random. I meccanismi di conversione da sorgenti acustiche e da moto di fluidi, per esempio flusso di aria o liquidi, prevalentemente utilizzano confi- gurazioni basate sugli effetti ME sopra descritti. I convertitori termo-elettrici (TE) da gradienti di temperatura sono princi- palmente costituiti da termopile formate da termocoppie elettricamente in serie e termicamente in parallelo. Ogni termocoppia del generatore termo- elettrico (TEG) produce una tensione a vuoto proporzionale alla differenza di temperatura applicata secondo il coefficiente di Seebeck dei materiali. La tensione complessiva del TEG è la somma delle tensioni parziali; le comuni celle Peltier, usate come componenti di termostatazione a stato solido, sono utilizzabili anche come TEG. I TEG sono da tempo impiegati in casi specifici, per esempio in applica- zioni spaziali, ma destano oggi rinnovato interesse per l’alimentazione di dispositivi elettronici e sensori da calore disperso. Significativi sforzi tecnologici sono diretti alla miniaturizzazione dei TEG e a investigare la fattibilità di soluzioni Mems, tuttavia, per massimizzare l’energia conver- tita è necessario ottenere, oltre a un elevato coefficiente di Seebeck, alta conducibilità elettrica, per contenere la resistenza interna, e bassa con- ducibilità termica, per mantenere un gradiente termico più alto possibile. Gli ultimi due requisiti sono difficili da conciliare nei materiali tradizionali e con geometrie planari di piccole dimensioni. La ricerca ha recente- mente sperimentato materiali nanostrutturati a elevata conducibilità per elettroni (bassa resistenza elettrica) e bassa conducibilità per fononi (alta resistenza termica), che hanno dimostrato efficienze dell’ordine del 30-40% di quella di Carnot, contro il 10-15% dei materiali tradizionali. Nel contempo, si rivolge un’attenzione crescente a configurazioni non planari con geometria tridimensionale. Infine, i convertitori per EH elettromagnetico hanno lo scopo di tra- sformare in potenza elettrica la radiazione RF di fondo, per esempio associata a reti wi-fi o GSM, o intenzionalmente immessa in un volume di spazio. Il blocco che realizza la conversione è un’antenna, accoppiata a elementi non lineari rettificanti (rectifying antenna-rectenna), che preleva energia dal campo RF e la converte associandola a una tensione unipolare. Considerando i limiti normativi sulle potenze emesse per gli apparati di comunicazione RF e la diminuzione della densità di potenza al crescere della distanza dal trasmettitore, l’energia convertita in con- dizioni normali è tipicamente insufficiente ad alimentare nodi sensore, tranne che in ambienti dotati di apposite infrastrutture, espressamente dedicate all’energizzazione elettromagnetica di dispositivi distribuiti. Applicazioni ed esempi Si prevede una forte crescita delle applicazioni di energy harvesting, soprattutto in abbinamento ai sistemi IoT (Fonti www.researchandmar- kets.com/reports/3745718 e www.iottechnews.com/news/2023/jan/19/ abi-research-predicts-2023-breakout-iot-energy-harvesting-startups ). I settori primariamente interessati sono quelli dell’automazione indu- striale, in particolare per la sensorizzazione di componenti, macchinari e processi, dei trasporti, della domotica e, più in prospettiva, dei wearable. In generale, l’accresciuta sensibilità per il tema della sostenibilità trova nel EH una rispondenza tecnica e una sintonia di fini sia per il risparmio energetico diretto attuato nei nodi sensore, sia per quello indiretto, ov- vero che si determina nei sistemi in cui i sensori sono installati. In parallelo allo sviluppo di convertitori basati su differenti principi e tecnologie, cresce l’impegno dei produttori di componenti elettronici nel rendere disponibili circuiti integrati a ultra-basso consumo per power management, trattamento dei segnali e comunicazione RF, in generale, dedicati ad applicazioni di EH. Nel campo del EH solare si registrano progressi nei sistemi di conver- sione di luce a bassa intensità (Fonti https://ambientphotonics.com/ ambient-ces-2023 e www.smkusa.com ), con soluzioni che mirano ad alimentare sensori e dispositivi elettronici in ambienti indoor. Nel campo dei convertitori da vibrazioni e movimento, l’effetto di indu- zione elettromagnetica consente adeguata affidabilità a lungo termine e sono commercialmente disponibili numerose soluzioni compatte (Fonti https://wepowertechnologies.com e www.kinetron.eu ); altrettanto im- piegato è l’effetto piezoelettrico (Fonte https://piezo.com/collections/ piezoelectric-energy-harvesters ), mentre recenti sforzi di ricerca hanno portato a convertitori Mems piezoelettrici innovativi, con frequenze ope- rative inferiori a 25 Hz (Fonte H. Feng et al. Microsystems & Nanoengi- neering (2023) 9, 33). In applicazioni industriali, automotive e domotiche, vi sono notevoli prospettive di crescita, specialmente per i convertitori termoelettrici ( www.idtechex.com/it/research-report/thermoelectric-energy-harve- sting-2018-2028-applications-markets-players/582 ), che, rispetto ai convertitori da vibrazioni, offrono il vantaggio di non includere parti in movimento. Di contro, va considerato come per ricavare energia non sia sufficiente disporre di una sorgente ad alta (o bassa) temperatura, ma sia necessario mantenere un’adeguata differenza di temperatura ai capi del TEG, il che tipicamente richiede l’utilizzo di dissipatori e limita le prestazioni in spazi a scarso ricircolo di aria. Come esempi, la figura 2 mostra due prototipi di convertitori sviluppati presso l’Università di Brescia in collaborazione, rispettivamente, con il Politecnico di Milano e il CNM di Barcellona. Si tratta, in particolare, di un harvester piezoelettrico da movimento per applicazioni wearable (Fonte A. Nastro et al. Sensors (2023) 22, 3) e di un TEG in tecnologia Mems con una geometria a diaframma sospeso (Fonte S. Dalola, V. Ferrari Procedia Engineering (2011) 25). In conclusione Alcuni prodotti innovativi basati su EH sono già oggi disponibili sul mercato per estendere la vita operativa delle batterie in applicazioni specifiche. La sfida per il futuro è quella di sviluppare una nuova generazione di sensori autonomi, ossia energeticamente autosufficienti, capaci di alimentarsi dall’ambiente in condizioni opportune, e di operare per un tempo virtual- mente illimitato senza bisogno di alcun intervento. Fig. 2 - Esempi di prototipi: struttura (a) e immagine (b) di convertitore piezoelettrico da movimento per applicazioni wearable; sezione (c) e microimmagine (d) di convertitore termoelettrico in tecnologia Mems