Come ricaricare una batteria camminando

Esistono una varietà di tecniche di raccolta dell’energia altrimenti sprecata, ma quella meccanica sembra essere la più importante. Una tecnica che la sfrutta può utilizzare componenti piezoelettrici, grazie ai quali le deformazioni prodotte da diversi mezzi vengono direttamente convertite in carica elettrica tramite l’effetto piezoelettrico. Successivamente, l’energia elettrica può essere regolata o accumulata per un ulteriore utilizzo. In questo articolo vedremo come creare una fonte efficiente, non inquinante ed a basso costo di energia elettrica per dispositivi portatili o per l’elettronica indossabile.

Sebbene una cosiddetta power bank possa estendere in una certa misura la capacità elettrica dei dispositivi elettronici portatili o indossabili (come ad es. i cellulari), ha ancora una quantità limitata di elettricità; quindi, deve essere ricaricata frequentemente. Tuttavia, a volte la ricarica della power bank esaurita durante un viaggio o nel lavoro sul campo è irrealizzabile. Pertanto, è necessario trovare un metodo alternativo per risolvere il problema dell’alimentazione di dispositivi mobili.

Diversi nuovi metodi sono stati studiati per ricaricare in modo sostenibile una batteria. Alcuni di questi metodi si concentrano sulla ricarica della batteria usando l’energia solare. Sebbene le celle solari possano venire facilmente incorporate nel tessuto, occorrono celle solari di grandi dimensioni per sfruttare una notevole energia e quest’ultima è disponibile solo in condizioni di luce sufficiente, il che ostacola l’uso diffuso delle celle solari per l’alimentazione o la ricarica di dispositivi mobili.

L’idea di estrarre energia dal corpo umano

D’altra parte, è noto che una quantità significativa di energia cinetica si dissipa sotto forma di calore durante il movimento umano, il che implica che il corpo umano può essere una formidabile fonte di energia. Quando anche solo 1 g di grasso viene consumato, possono essere estratte 900 calorie. Quindi, anche se solo una piccola parte di quest’energia può venire utilizzata per produrre energia elettrica, il corpo umano la fa diventare una fonte di energia enorme e sostenibile.

Confronto fra le tensioni ottenibili con due sensori piezo posti sotto punti diversi del piede.

Perciò, in letteratura sono stati proposti alcuni metodi per estrarre energia dal movimento di un uomo o dal suo calore corporeo. Utilizzando ad esempio un elemento termoelettrico un convertitore termoelettrico per la raccolta, si possono ottenere 20 mW di energia elettrica. Oltre a sfruttare l’energia del calore corporeo, alcuni ricercatori hanno investigato la possibilità di raccogliere l’energia d’impatto da un piede utilizzando micro-generatori o materiali piezoelettrici nella suola della scarpa.

Infatti, le persone di dimensioni e stato di forma medi sono in grado di generare più elettricità con uno sforzo essenzialmente inconscio, deformando elementi elettromeccanici in miniatura adattati ad articoli indossabili come le calzature, come ad esempio dei comuni sensori piezoelettrici (che puoi trovare qui). Alcune stime teoriche hanno provato che si possono generare fino a 4 W con una compressione di 4 mm di una suola della scarpa, che è facilmente ottenuta camminando a ritmo naturale – cioè a una velocità due passi al secondo (o 1 Hz per inserto) – da una persona di 80 kg.

La massima potenza elettrica che può essere generata, supponendo che il 50-80% dell’energia prodotta durante la camminata sia immagazzinata come energia elastica nella scarpa, sarebbe 2 W. Pertanto, la camminata umana a ritmo normale è una fonte potenziale per generare elettricità per l’elettronica a bassa potenza o per ricaricare una batteria. Ma con quale tipo di circuito?

L’uscita di un cristallo o di un sensore piezoelettrico è un segnale alternato. Per usare questa tensione in dispositivi elettronici a basso consumo energetico, deve essere prima convertita in un segnale digitale. Ciò può essere fatto con l’aiuto di un convertitore da corrente alternata (AC) a continua (DC) – come mostrato in figura – che usa un semplice raddrizzatore a diodi per convertire da AC in DC, seguito da un condensatore che viene caricato dal raddrizzatore fino a una tensione prestabilita.

Convertitore da AC a DC del tipo con convertitore a ponte.

Raggiunta la tensione prestabilita, l’interruttore si chiude e il condensatore si scarica attraverso il dispositivo. In questo modo, l’energia può essere immagazzinata nel condensatore e può venire scaricata nel dispositivo elettronico quando necessario. Ma la capacità di raccolta di energia di questo circuito non è apprezzabile. Perciò, può venire utilizzato un convertitore DC-DC (ad es. un convertitore “boost”, o elevatore) switching – cioè a commutazione – dopo il ponte raddrizzatore.

Un tipico circuito di raccolta dell’energia da fonte piezoelettrica.

L’aggiunta del convertitore DC-DC ha mostrato – in esperimenti volti a valutare l’efficienza di vari tipi di circuito – un miglioramento nella raccolta di energia di un fattore 7, mostrando così possibilità promettenti di applicazioni in sistemi stand-alone e in fonti di energia “intelligenti” a lunga durata. Una capacità di raccolta dell’energia ancora più elevata si può avere con un circuito dal funzionamento non lineare chiamato “Synchronized Switch Harvesting on Inductor” (SSHI), proposto nel 2005.

Consiste in un dispositivo di commutazione in parallelo con l’elemento piezoelettrico. Il dispositivo è composto da un interruttore e un induttore collegato in serie. L’interruttore è nello stato aperto tranne quando si verifica lo spostamento massimo nel trasduttore. In quel momento, l’interruttore viene chiuso e la capacità dell’elemento piezoelettrico e dell’induttore insieme costituiscono un oscillatore. L’interruttore rimane chiuso finché la tensione sull’elemento piezoelettrico non si inverte.

Due esempi di tipici circuiti SSHI per sensori piezo: l’SSHI in parallelo e l’SSHI in serie.

La raccolta dell’energia prodotta in una suola

L’energia dall’attività umana passiva sembra essere la fonte di energia ambientale più sottoutilizzata. Ora illustreremo un metodo per caricare un dispositivo elettronico (ad es. un cellulare che non usate più) dotato di una batteria agli ioni di litio, grazie ai sensori piezoelettrici fissati nella suola di una calzatura, sfruttando la pressione meccanica esercitata dal piede per ottenere energia elettrica.

Quando un essere umano cammina, infatti, la scia del tronco (o punto di massa del corpo) rispetto al suolo appare muoversi approssimativamente come un’onda sinusoidale invece che lungo linea retta. Questo modello di movimento del torso fornisce una possibilità di convertire una notevole quantità di energia cinetica del corpo umano in energia elettrica grazie a sensori piezolettrici (di cui trovate i vari prezzi qui).

Il sensore che useremo in questa esperienza è fatto di un materiale piezoceramico, il piombo zirconato di titanio (PZT). Esso ha una forma circolare e sottile, che si adatta comodamente alla suola delle calzature ed è reperibile in commercio a basso costo su vari siti web. Quando un singolo sensore di questo tipo viene testato in laboratorio usando un oscilloscopio, genera una tensione variabile di 4-6 V.

Un comune sensore piezo ceramico a disco (a sinistra) e la tensione tipica che produce. Puoi trovare una vasta scelta di questi sensori low-cost qui.

Il sensore piezoelettrico converte lo stress meccanico in tensione elettrica. Quando lo stress meccanico viene applicato al sensore, elettrico la carica si accumula sulla superficie del cristallo e può essere estratta usando un filo. Al fine di ottenere il massimo dal sensore, esso dovrebbe lavorare nell’intervallo di frequenze della sua auto-risonanza. La frequenza di risonanza in questione può essere trovata usando la cosiddetta Equazione di Helmholtz, che però è abbastanza complessa per gli scopi di questo articolo.

In questo esperimento, collegheremo quattro sensori piezoelettrici in parallelo (al livello dello stadio DC) che si adattano alla suola delle calzature. Durante il jogging e il salto, lo stress meccanico applicato sulla suola della calzatura viene così convertito in tensione elettrica che viene fornita a un gadget elettronico dotato di batteria. Un essere umano mentre cammina sviluppa una potenza di circa 30 W sul terreno, da cui è teoricamente possibile ottenere 100 mW di potenza elettrica senza disturbare la camminata della persona.

I sensori piezoelettrici devono essere posizionati nelle due parti principali della suola della scarpa nelle quali è applicata la pressione massima (si veda la figura qui sotto). Il singolo sensore è in grado di generare 3-5 V all’applicazione costante di pressione costantemente, per cui collegando quattro sensori in parallelo si aumenta la probabilità di ottenere il massimo rendimento.

Posizionamento dei sensori piezolettrici sotto la scarpa (o, equivalentemente, la suola).

I materiali piezopolimerici sono più vantaggiosi da utilizzare rispetto ai materiali piezoceramici in caso di applicazione di sensori nelle scarpe, perché i film polimerici possono essere facilmente fabbricati di forme diverse. Tuttavia, il sensore piezoceramico è stato utilizzato in questo esperimento perché è reperibile in commercio a basso costo, essendo usato comumente come sensore o come cicalino.

Il circuito per immagazzinare l’elettricità

La raccolta di energia meccanica comporta la creazione di energia elettrica e il suo immagazzinamento. 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 accumulo di energia usando vari principi di raccolta.

Il carico che viene utilizzato per l’accumulo dell’energia elettrica raccolta è, nel nostro esempio, la batteria del telefono cellulare. Molti cellulari usano una batteria fatta dalla combinazione di sostanze chimiche nota come “ioni di litio”, che richiede una tensione continua di 3,6 V per la ricarica. Per immagazzinare l’energia è meglio usare una batteria ricaricabile che un super-condensatore, poiché la prima ha un’elevata energia immagazzinata per unità di peso e una risposta di scarica più lenta.

La tensione necessaria richiesta per caricare la batteria di un telefono cellulare va generata correttamente con il circuito illustrato nello schema qui sotto. La corrente di uscita generata dai sensori piezoelettrici potrebbe essere inferiore al necessario, il che potrebbe aumentare il tempo necessario per caricare una batteria. Ma il sistema può essere usato per la ricarica di una batteria di dispositivi elettronici in situazioni di emergenza, dove non c’è una fonte diretta di energia elettrica.

Schema a blocchi del circuito di ricarica di un telefono cellulare con i sensori piezoelettrici posti sotto le scarpe (o la suola). Le varie uscite DC sono collegabili in parallelo fra loro.

Si può fare un’analisi dell’energia accumulata nella batteria rispetto alla forza applicata per valutare l’efficienza del circuito elettrico scelto per interfacciare i sensori alla batteria. Un accumulo efficiente della tensione elettrica generata può essere raggiunto utilizzando il circuito appena mostrato. In realtà, circuiti più sofisticati – come quelli illustrati nella sezione precedente – possono venire usati per caricare una batteria in modo a volte più efficiente, e pertanto possono essere sperimentati dallo scienziato dilettante.

Ad esempio, possiamo usare il circuito del raddrizzatore per convertire da AC in DC, incrementando poi però il valore della tensione con un convertitore boost DC-DC posto dopo il raddrizzatore per completare il circuito di carica della batteria agli ioni di litio o ai polimeri di litio. Il circuito consiste quindi di uno o più trasduttori ceramici piezoelettrici, un raddrizzatore, un convertitore boost DC-DC, un circuito di ricarica della batteria (come ad es. quello contenuto in un cellulare) e un dispositivo di accumulo come la batteria.

Schema a blocchi per la ricarica piezolettrica con convertitore DC-DC di batterie al litio.

In pratica, con il trasduttore piezolettrico otteniamo un segnale AC dell’ampiezza desiderata. La tensione generata dalla ceramica piezoelettrica presenterà alcune increspature. Quindi, dovrebbe essere rettificata e filtrata prima di essere inviata a una batteria. Un raddrizzatore a ponte fornisce una tensione raddrizzata a onda intera che è inizialmente filtrata da un semplice filtro a condensatore per produrre una tensione continua (DC). Di solito, nella tensione continua risultante è ancora presente un’ondulazione (ripple).

Un circuito regolatore di tensione rimuove perciò le increspature residue e mantiene lo stesso valore DC anche se la tensione di ingresso in ingresso varia, oppure se il carico collegato alla tensione in uscita DC cambia: fornisce, cioè, una tensione “stabilizzata”. La regolazione di tensione è di solito ottenuta usando uno dei componenti elettronici più popolari: il circuito integrato regolatore di tensione (v. il nostro articolo sugli alimentatori stabilizzati).

Ad esempio, il famoso regolatore di tensione LM7805 – con uscita di 5 V DC precisi, come suggerisce la cifra finale della sua sigla – è ottimo per caricare una batteria al litio da 3,6 V tramite l’ingresso a 5 V di un cellulare, tant’è che i trasformatori per la ricarica dei cellulari hanno di solito l’uscita a 5 V. Ad ogni modo, il convertitore boost DC-DC viene spesso scelto nella progettazione perché l’uscita richiesta è quasi sempre superiore alla tensione di ingresso, per cui può essere utile per alimentare gadget che richiedono tensioni più elevate.

Schema a blocchi del sistema più generale per la ricarica di una batteria.

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