Alcune idee per la raccolta della piezoelettricità

Poiché i combustibili fossili in tutto il mondo si vanno esaurendo ed il costo – in termini economici e di inquinamento – dell’energia elettrica da essi prodotta è molto elevato, è necessario un mezzo alternativo per raccogliere l’energia. L’energia biomeccanica che raccoglie l’elettricità dalle persone durante le attività quotidiane è un’alternativa promettente alle batterie per alimentare dispositivi portatili sempre più sofisticati. Ma si può pensare anche ad applicazioni fisse e più ambiziose. Ecco alcune idee per lo scienziato dilettante, nonché un excursus di alcuni semplici circuiti utili a riguardo.

La raccolta di energia è il processo mediante il quale l’energia è derivata da fonti esterne e utilizzata per alimentare direttamente delle macchine o dei carichi, o viene catturata e conservata per un uso futuro. Alcuni schemi tradizionali di raccolta di energia sono le fattorie solari, i parchi eolici, l’energia delle maree, l’energia geotermica e molti altri, il cui utilizzo è aumentato in questi ultimi anni a passi da gigante. La figura qui sotto mostra uno schema dei numerosi possibili metodi di raccolta.

La raccolta di energia piezoelettrica rappresenta un nuovo e innovativo passo in avanti nella direzione della raccolta di energia. Non molte ricerche sono state condotte fino ad ora in questo campo, quindi estrarre energia dalla piezoelettricità è una sfida. I cristalli o i materiali piezoelettrici (come quelli usati nei sensori low-cost che trovate qui) possono essere sfruttati per ottenere tensioni di valore molto piccolo, adatto per alimentare dispositivi a bassa tensione. Quindi, la raccolta di energia piezoelettrica rientra nella categoria di raccolta su scala micro.

Le possibili fonti di energia ambientali

L’energia disponibile per la raccolta è fornita principalmente dalla luce ambientale (illuminazione artificiale e naturale), dalle frequenze radio presenti nell’ambiente (ad es. inquinamento elettromagnetico), dalle fonti termiche (ad es. geotermiche) e dalle fonti meccaniche (ad es. idroelettrico, maree, movimento umano, etc.), e ciò attira l’attenzione crescente di molti ingegneri.

Gerarchia delle principali tecnologie di raccolta dell’energia.

Le fonti di energia ambientale – come la luce (da 100 μW/cm2 a 100 mW/cm2), le vibrazioni (da 1 μW a 20 mW), il movimento (un’ampia gamma di di potenza di uscita), il gradiente di temperatura (0,5-10 mW), le onde a radiofrequenza (> 180 μW/cm2), l’acustica (0,003-0,11 μW/cm2), e molte altre, hanno il potenziale per alimentare direttamente o indirettamente un dispositivo elettronico a bassa potenza.

Le forme di energia vibrazionale, termica e motoria sono fonti relativamente robuste di energia ambientale. L’energia ambientale può essere raccolta usando i trasduttori per convertire una gamma di fonti primarie in energia elettrica. Fra le principali tecniche di raccolta dell’energia, troviamo i trasduttori piezoelettrici, l’induzione elettromagnetica, l’effetto termoelettrico.

Una cella solare può generare 100 mW/cm2 dalla luce solare diretta e 100 μW/cm2 dall’illuminazione artificiale, mentre lo sfruttamento della radiazione elettromagnetica attraverso una cosiddetta “rectenna” produce 1 μW/cm2. Gli esseri umani sono in grado di azionare macchine (ad es. manovelle, leve, molle, etc.) per generare potenza nella gamma da pochi milliwatt fino a più di 500 W, con l’estremo superiore di questo intervallo che corrisponde a una prestazione atletica di breve durata.

L’idea di raccogliere energia dal movimento umano si basa sul fatto che il dispendio energetico di una persona media – cioè la quantità di energia utilizzata dal corpo – è di 1,07 x 107 J al giorno, una quantità equivalente a circa 800 pile AA (da 2500 mAh), il cui peso totale è di circa 20 kg. In confronto alle batterie, tale quantità di energia può essere prodotta ad es. da 0,2 kg di grasso corporeo. Questa energia è generata da fonti ad alta densità di energia (carboidrati, grassi e proteine) e l’energia specifica del cibo è in genere da 35 a 100 volte maggiore rispetto a quella specifica delle batterie oggi disponibili.

Pertanto, la possibilità e l’efficacia di estrarre energia dalle attività umane è stata studiata per anni. Di fatto, è in teoria disponibile una potenza elettrica continua e ininterrotta: dalla digitazione (potenze dell’ordine dei mW), al movimento degli arti superiori (circa 10 mW), all’espirazione dell’aria durante la respirazione (circa 100 mW), alla deambulazione (potenze dell’ordine del W).

Un prototipo di dispositivo piezoelettrico per caricare una power bank con il movimento.

Possiamo trovare energia meccanica raccoglibile in maniera passiva anche su strade, autostrade, ferrovie e aeroporti. Quest’energia che andrebbe altrimenti sprecata – e disponibile di fatto in forma gratuita – può venire catturata, immagazzinata e riutilizzata. Per esempio, incorporando dei generatori piezoelettrici nell’asfalto in aree specifiche della rete stradale (in particolare, in prossimità delle stazioni di pedaggio) secondo uno studio ad hoc è possibile una notevole produzione di energia elettrica.

Come sfruttare l’energia meccanica passiva

In pratica, dato che ci sono molti movimenti meccanici disponibili su una strada – di esseri umani e automobilistici – installando cristalli piezoelettrici (o meglio, materiali piezolettrici come il PZT, che sono preferibili per usi estesi) sotto le strade sarebbe possibile generare elettricità in modo costante. In questa implementazione, la strada andrebbe divisa in quattro strati. Lo strato più basso è composto da piastre vibranti e lo strato di mezzo conterrebbe i cristalli piezoelettrici.

Lo strato superiore è composto anch’esso da piastre vibranti e lo strato più in alto è la strada vera e propria. Questa è però una strada per la produzione di elettricità. Se dunque le persone od i veicoli viaggiano lungo la strada, producono una pressione sulle piastre vibranti. Queste ultime possono fornire la pressione ai cristalli o ai materiali piezoelettrici, i quali a loro volta producono – grazie alle loro proprietà piezoelettriche – l’elettricità, che può venire accumulata o usata direttamente.

Inoltre, pannelli di materiale piezoelettrico possono venire disposti sotto i marciapiedi, le passeggiate laterali e altre aree di alto traffico umano, come pure sui dossi per abbassare la velocità dei veicoli, per la massima generazione di tensione elettrica. L’elettricità così prodotta può essere utilizzata, ad esempio, per caricare le batterie ricaricabili al litio, super-condensatori, etc. Queste batterie possono poi venire impiegate per i loro normali utilizzi nella vita di tutti i giorni.

Si noti che è stata anche progettata una piastrella per pavimenti con cui raccogliere di energia utilizzando i comuni dischi piezoelettrici low-cost che vengono utilizzati nei cicalini (li trovate con i rispettivi prezzi qui). L’energia generata da questi sensori può essere catturata tramite un circuito integrato dedicato – e, volendo, potenziata con un convertitore DC-DC – per avere un’uscita regolata. Il sistema può essere impiegato per generare grandi potenze implementandolo su larga scala e con circuiti ancora più efficienti per l’accumulo.

Una mattonella con uno strato sensibile piezolettrico ceramico (realizzato con PZT).

Anche stivali o scarpe possono venire utilizzati come generatori di energia. Negli Stati Uniti, la DARPA (Defence Advance Research Project Agency) aveva avviato un progetto innovativo sulla raccolta di energia per tentare di alimentare l’equipaggiamento da campo di battaglia con generatori piezoelettrici incorporati negli stivali dei soldati. Tuttavia, gli sforzi della DARPA di recuperare 1-2 watt dall’impatto continuo della scarpa di un soldato mentre cammina non hanno portato all’adozione di tali generatori, a causa del disagio prodotto dall’ulteriore energia spesa da un militare che indossa tali scarpe.

Sempre per cercare di sfruttare l’energia prodotta dal movimento del corpo umano, i ricercatori stanno anche lavorando all’idea di utilizzare le vibrazioni prodotte dalle macchine nelle palestre o nei luoghi di lavoro. Sui posti di lavoro, infatti, anche se si sta seduti sulla sedia, l’energia può essere immagazzinata dentro le batterie con la posa di materiali piezoelettrici sulla superficie della sedia. Vi sono studi anche per utilizzare le vibrazioni prodotte in un veicolo – ad es. da frizioni, ingranaggi, sedili, ammortizzatori, poggiapiedi – recuperando energia meccanica che andrebbe altrimenti sprecata.

Ma le possibili applicazioni della piezolettricità sono davvero numerose. Ad esempio, una serie di cristalli piezolettrici può essere posata anche sotto i tappetini, le piastrelle ed i tappeti che sono frequentemente utilizzati in luoghi pubblici. I cristalli piezoelettrici possono essere disposti pure sotto i tasti di dispositivi mobili e tastiere. Con la pressione di ogni tasto, le vibrazioni create possono essere utilizzate per stimolare i cristalli piezoelettrici a produrre elettricità per scopi di ricarica.

In Europa, alcuni locali notturni hanno già iniziato ad alimentare il loro night club, gli stroboscopi e l’impianto stereo con l’uso di cristalli piezoelettrici. I cristalli sono posti sotto la pista da ballo. Quando un grosso numero di persone usano questa pista da ballo, viene generata un’enorme quantità di energia elettrica a una discreta tensione, utilizzabile per alimentare le attrezzature del night club.

L’immagazzinamento in dispositivi mobile

La raccolta di energia meccanica comporta la creazione di energia elettrica e il suo immagazzinamento e/o uso immediato. La ragione per cui scegliere la piezoelettricità come metodo di raccolta dell’energia meccanica – ovvero prodotta dal movimento di macchine o di persone – è la sua maggiore densità di energia nello stoccaggio. In un piccolo sistema di raccolta di energia piezoelettrico, il sensore piezoelettrico è usato come elemento di raccolta, mentre l’elemento di accumulo è una batteria.

Confronto fra la densità di potenza ottenibile usando varie fonti energetiche gratuite.

L’acquisizione e la conversione di energia dall’ambiente presentano soluzioni praticabili principalmente per la ricarica, piuttosto che per eliminare completamente le batterie come fonte autonoma di energia. La maggior parte delle applicazioni richiederà ancora l’accumulo elettrico in batterie per fornire energia a richiesta quando la risorsa è fluttuante e consente anche la gestione ottimale dell’energia catturata da fonti ambientali con intensità variabile e/o intermittente, come il sole e il vento.

L’approccio piezoelettrico alla raccolta di energia presenta diversi altri vantaggi come: le piccole dimensioni e la possibilità di svilupparlo in forme personalizzate. Le tecnologie che utilizzano la produzione di energia piezoelettrica si sono concentrate sulla generazione di energia “generica”, vale a dire per qualsiasi dispositivo elettrico a bassa potenza: cellulare, elettronica indossabile, etc.

Ciò ha portato alla progettazione di sistemi compatti privi della necessità di manutenzione ed economici in cui le attività quotidiane dell’uomo – come camminare, fare jogging, correre etc. – possono essere utilizzate nella generazione di energia elettrica. Al tempo stesso, i progressi tecnologici hanno permesso di modificare la dimensione e la forma dei componenti elettronici sulle microscale, con un ridimensionamento proporzionale dei loro requisiti di potenza nella gamma che va dai micro watt ai milliwatt.

Caratteristiche del movimento umano e della postura in una normale passeggiata.

Di conseguenza, molti sistemi e dispositivi elettronici complessi – come dispositivi medicali e autonomi indossabili – consumano energia nella gamma inferiore a 200 μW e le reti di sensori wireless nella gamma da 1 μW a 100 mW sono alimentate a batteria. A causa dei limiti salienti della potenza della batteria – come la longevità della carica e laddove applicabile, il requisito per la ricarica periodica – le possibilità di utilizzo di fonti energetiche autonome sono fondamentali per il funzionamento di tali dispositivi.

Nell’articolo Come ricaricare una batteria camminando, abbiamo visto che la batteria agli ioni di litio presente all’interno di un cellulare viene ricaricata, grazie all’energia elettrica prodotta da 4 sensori piezoelettrici a disco collegati fra loro in parallelo (a valle di altrettanti raddrizzatori a ponte), attraverso un regolatore di tensione che mantiene una tensione di alimentazione costante di 5 V (uguale a quella di comune alimentatore collegato alla rete elettrica), così da non causare alcun danno all’accumulatore di energia.

Il collegamento in parallelo, naturalmente, somma la corrente proveniente da ogni trasduttore piezoelettrico (subito dopo la trasformazione in continua, o DC), aumentando così la potenza totale generata, che in questo caso viene utilizzata per caricare la batteria sfruttando il circuito di ricarica presente nel cellulare. Infatti, la potenza elettrica (P, misurata in watt) è uguale al prodotto della tensione (V, in volt) per la corrente (I, in ampere): P = V x I.

Circuiti per l’accumulo in batterie NiMH

I materiali piezoelettrici possono essere utilizzati come mezzo per trasformare le vibrazioni ambientali in energia elettrica che può quindi essere immagazzinata e utilizzata per alimentare altri dispositivi. Con il recente aumento dei dispositivi a microscala, la generazione di energia piezoelettrica può fornire un’alternativa conveniente alle fonti di alimentazione tradizionali.

Forma d’onda della tensione usando un sensore piezo-ceramico eccitato in uno shaker.

Tuttavia, l’energia prodotta dai materiali piezolettrici è in molti casi troppo piccola per alimentare direttamente un dispositivo elettrico. Pertanto, gran parte della ricerca sulla raccolta di energia si è concentrata sui metodi per accumulare energia fino a quando è presente una quantità sufficiente, consentendo l’alimentazione dell’elettronica prevista.

Uno di questi metodi è la ricarica di una o più batterie al nichel metal idruro (NiMH). La piezolettricità può, ad esempio, essere utilizzata per caricare una batteria NiMH separata dalla batteria principale di un dispositivo o gadget, che spesso è una batteria agli ioni di litio. La batteria al NiMH potrebbe venire usata durante situazioni di emergenza per alimentare il dispositivo per un breve lasso di tempo.

Come batteria per l’accumulo elettrico, conviene in generale scegliere batterie al nichel metal idruro perché hanno un’alta densità di carica e, a differenza delle batterie agli ioni di litio, non richiedono alcun tipo di controller o regolatore di tensione da incorporare nel circuito. Il circuito per caricare la batteria può quindi consistere in un raddrizzatore a ponte, un condensatore e la batteria NiMH.

Lo schema del più semplice circuito di ricarica di una batteria NiMH con il piezoelettrico.

Il condensatore è un condensatore elettrolitico utilizzato come condensatore di livellamento. Si tratta quindi di un grande condensatore, in genere di capacità uguale o superiore a 470 μF od a 1000 μF, seguito dalla batteria NiMH destinata ad essere caricato, che è collocata in parallelo con il condensatore. La semplicità di questo circuito consente che sia costruito in modo molto compatto e senza componenti aggiuntivi che produrrebbero un’ulteriore dissipazione di potenza.

Dunque, per caricare una batteria NiMH, la soluzione più semplice è utilizzare un raddrizzatore standard (anche senza condensatore). E se la frequenza di eccitazione del sensore piezolettrico corrisponde realmente alla frequenza di risonanza del circuito di raccolta dell’energia, questa è anche un’ottima soluzione: è infatti possibile raccogliere la maggior parte del limite di potenza teorico.

Layout del semplice circuito di ricarica di una batteria NiMH.

Se queste condizioni non sono vere, esistono altri circuiti di interfaccia tra il sensore e la batteria per aumentare la potenza raccolta. I più popolari ed efficienti sono i circuiti “SSHI” (Synchronized Switch Harvesting on Inductor), che hanno un’efficienza del 160% maggiore rispetto a un rettificatore standard. Tuttavia, per la loro relativa complessità, non li prenderemo qui in esame.

Più in generale, il circuito di accumulo energetico consiste in un raddrizzatore a ponte, un condensatore di filtro, un controller e una batteria ricaricabile. Se la tensione piezoelettrica raddrizzata è superiore alla tensione a circuito aperto della batteria, quest’ultima si caricherà. La tensione attraverso il condensatore del filtro aumenta con il procedere della ricarica. Tuttavia è solo la corrente che carica, in quanto la tensione addizionale nella batteria viene semplicemente persa sotto forma di calore.

I dispositivi piezoelettrici hanno una tensione di uscita proporzionale all’improvvisa variazione della forza esercitata sul dispositivo, quindi la tensione cambierà drasticamente con gli aumenti della flessione, o degli impatti, sulla parte sensibile del sensore. Pertanto, con un convertitore DC / DC di tipo “buck” (o riduttore), una tensione un po’ troppo alta verrà spostata su una tensione inferiore, ma con una corrente più elevata, e di conseguenza una carica più rapida e una migliore efficienza complessiva.

Risposta in frequenza di un sensore piezoelettrico. Tensione vs. forza applicata

Altri circuiti per tensioni non stabilizzate

Supponiamo ora di dover fornire non la classica tensione di 5 V stabilizzati con cui sono alimentati molti dispositivi elettronici ma, ad esempio, di oltre 12 V e senza la necessità che essa sia stabilizzata. In tal caso, un convertitore DC-DC di tipo “boost” (ovvero step-up, cioè elevatore di tensione) può aiutare a trasformare la tensione di uscita dal raddrizzatore a ponte – qualunque essa sia – a una tensione più alta, ad esempio più alta della tensione della batteria.

La tensione di uscita ottenuta da un singolo cristallo piezoelettrico è nell’intervallo dei millivolt, ed è diversa per i diversi cristalli. E la potenza è nella gamma dei microwatt. Quindi, al fine di raggiungere tensioni più elevate, i cristalli piezoelettrici possono essere disposti opportunamente a cascata, cioè in serie. L’energia così ottenuta può essere conservato in batterie o in condensatori per usi successivi.

Analogamente, se abbiamo più sensori piezoelettrici, anziché collegarli fra loro in parallelo per poi raddrizzare la corrente con un raddrizzatore a ponte ed elevarla con un convertitore boost, possiamo adottare uno schema diverso: combinare in serie l’elettricità DC fornita da un certo numero di sensori piezoelettrici per ottenere una tensione totale più elevata, per le applicazioni più varie. Tuttavia le tensioni in corrente alternata (AC) non possono, evidentemente, sommarsi a vicenda.

In pratica, quindi, dobbiamo prima convertire la corrente alternata (AC) in uscita da ciascun sensore in corrente continua (DC) e poi sommare le varie tensioni. Per farlo, un semplice ma efficiente schema che possiamo utilizzare è quello chiamato “cascata Villard”, il quale rettifica e amplifica simultaneamente l’input dalla sorgente utilizzando dei diodi e un condensatore (di cui è in figura mostrato il valore per un comune sensore piezo ceramico a disco).

Schema del circuito base della “cascata Villard”: il raddoppiatore di tensione. I valori indicati per i componenti sono adatti per un comune sensore piezoelettrico ceramico a disco (PZT), come quelli che potete acquistare online qui.

Stiamo dunque parlando di un moltiplicatore di tensione, ovvero di un circuito elettrico che converte l’energia elettrica in corrente alternata (AC) da una tensione inferiore a una tensione in corrente continua (DC) più alta, tipicamente utilizzando una rete di condensatori e diodi. I moltiplicatori di tensione possono essere utilizzati per generare da pochi volt per apparecchi elettronici, a milioni di volt per scopi come esperimenti di fisica ad alta energia e prove di sicurezza dei fulmini.

Il tipo più comune di moltiplicatore di tensione è il moltiplicatore in serie a una semionda, chiamato anche “cascata Villard”, o “moltiplicatore Villard”. Si noti che, se colleghiamo ciascun trasduttore piezoelettrico a un ponte raddrizzatore a onda intera (anziché ai due diodi) e colleghiamo l’uscita dai ponti in serie, potremmo perdere una grande quantità di energia rispetto a quanto rilasciato dal trasduttore, per cui alla fine potremmo non ottenere un’uscita apprezzabile.

Lo schema del moltiplicatore di tensione “cascata Villard”.

La cascata Villard è un circuito moltiplicatore che potenzialmente può produrre una tensione di uscita molte volte più grande della tensione di ingresso (Vin) senza necessità di un trasformatore di tensione AC-AC o di un convertitore boost DC-DC. La cascata Villard più semplice è un raddoppiatore di tensione (2 x Vin), ma aggiungendo altri stadi simili in cascata (per un totale di n stadi) è possibile ottenere un multiplo pari del valore di tensione di picco della tensione di ingresso AC: 4 volte Vin, 6 volte Vin,… n x Vin.

Utilizzando il moltiplicatore di tensione a cascata Villard possiamo quindi fare a meno del ponte raddrizzatore e del convertitore boost DC-DC. In pratica, ogni trasduttore piezoelettrico viene collegato con un elemento base del moltiplicatore di tensione. Nel progetto qui sotto, sono stati usati ad es. 6 trasduttori piezoelettrici collegati a un raddoppiatore di tensione, per cui si ottengono 6 tensioni DC. Per aumentare la tensione totale di circa 12 volte, basta collegarle in serie: Vin x 2 x 6 = 12 Vin.

Schema di un progetto con 6 trasduttori piezo con raddoppiatori di tensione in serie.

Indipendentemente dal tipo di circuito che useremo per generare una tensione di poco superiore a 12 V, se disponiamo di abbastanza corrente (che si aumenta collegando in parallelo gli stadi DC di più trasduttori piezoelettrici), possiamo pensare di caricare con essa una batteria da 12 V, la quale potrà addirittura essere inviata a un inverter che la trasformerà in tensione alternata a 230 V, utilizzabile con qualsiasi apparecchio. Però, ricordiamoci sempre che ogni “trasformazione” introduce ulteriori perdite.

Diagramma a blocchi del circuito per alimentare con il piezoelettrico un carico a 230 V.

2 comments

  1. Le Due Tracce delle mie relazioni al Corso di Formazione a Firenze del 13/14 Ott. sono ora pubblicate sul Blog di Daniela Biganzoli . (piezoelettricita delle ossa e del DNA )

    https://dabpensiero.wordpress.com/2018/10/11/mind-brain-bioquantum-science-of-reality/
    https://dabpensiero.wordpress.com/2018/10/11/bioquantica-epigenetica-e-genetica-dellacqua-luce-e-suono/

    da dove potere scaricarle . Un caro saluto Paolo Manzelli (egocreanet2016@gmail.com> 15/10/2018

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