RICERCA ITALIANA     

Microsistemi innovativi, basati su sistemi dinamici non lineari, per un efficiente recupero di energia da vibrazioni ambientali.

Università degli Studi di Catania

Abstract

L’impiego di computer delle dimensioni di un bottone e di micro-sensori distribuiti nell’ambiente richiede lo sviluppo di metodologie per la sintesi di una sorgente di energia affidabile, economica ed efficiente. Per questa ragione, il mondo della ricerca si è concentrato verso soluzioni basate sul recupero dell’energia dall’ambiente in grado di conferire autonomia ai dispositivi elettronici mobili miniaturizzati.
Tra le varie soluzioni il meccanismo di recupero dell’energia dalle vibrazioni ambientali è quello che appare più interessante vista l’ampia diffusione delle vibrazioni nell’ambiente. Le soluzioni attualmente proposte in tale ambito si basano su sistemi meccanici lineari oscillanti che implementano la conversione dell’energia meccanica in energia elettrica mediante strategie capacitive, induttive o piezoelettriche. Gli oscillatori meccanici sono progettati affinché la loro frequenza di risonanza sia vicina alle frequenze dominanti tipiche delle vibrazioni meccaniche che caratterizzano il particolare contesto ambientale. In molti contesti reali, però, tali soluzioni mostrano un’efficienza molto bassa in quanto le frequenze caratteristiche delle vibrazioni meccaniche coprono un intervallo molto ampio di frequenze.
L’approccio proposto in questo progetto si basa invece sull’impiego di oscillatori non lineari. Per questi sistemi non è possibile definire una o più frequenze di risonanza caratteristiche del sistema. In relazione alle caratteristiche della >>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Salvatore Baglio Università degli Studi di CATANIA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Questa proposta si inquadra all’interno della problematica generale relativa ai microsistemi autonomi. In questo settore la ricerca di soluzioni efficaci per l’erogazione dell’energia necessari al funzionamento del dispositivo rappresenta proprio uno degli argomenti di maggiore interesse in ambito scientifico e tecnico. Le diverse soluzioni proposte si scontrano sempre con l’inefficacia dimostrata nel caso di utilizzo prolungato.

Infatti le batterie che comunque è necessario inserire nel sistema costituiscono la massima parte del ingombro complessivo del sistema e quindi un duro scoglio da superare verso il tentativo di miniaturizzazione dei dispositivi.

In questi anni sono stati studiati numerosi approcci diversi sia per fornire energia in maniera remota sia per recuperare energia dalle numerosi fonti naturalmente presenti nell’ambiente, quest’ultimo approccio, già molto interessante proprio per l’ampio numero di soluzioni possibili, diventa particolarmente rilevante quando ci si riferisce a vibrazioni che sono presenti dappertutto nell’ambiente.

Purtroppo però i dispositivi proposti sino a questo momento riescono a produrre solo piccolissime quantità di energia a causa del mancato ed estremamente difficile accoppiamento ottimo tra le caratteristiche dell’oscillatore che generalmente li costituisce e quelle delle vibrazioni.
Ciò è principalmente dovuto alla natura lineare dell’oscillatore usato per il recupero di e >>>

Risultati parziali attesi

L’obiettivo di questo progetto è lo studio di sistemi non lineari che sembrano essere promettenti per il recupero di energia dall’ambiente e l’implementazione di questi concetti mediante lo sviluppo di dispositivi integrati che impiegano anche materiali attivi come le ceramiche piezoelettriche.
Il raggiungimento di tale obiettivo rappresenterebbe un notevole passo avanti rispetto allo stato dell’arte nell’ambito del recupero dell’energia. Infatti tale sistema sarebbe piccolo, molto efficiente e recupererebbe energia anche da vibrazioni molto deboli.
I risultati di questa ricerca saranno valutabili a breve termine e a lungo termine.

Risultati attesi a breve termine
-Validazione del principio di recupero di energia mediante l’impiego di microsistemi non lineari in grado di convertire in maniera molto efficiente l’energia meccanica delle vibrazioni in energia elettrica.
-Realizzazione di un dimostratore per la validazione del principio di funzionamento e la validazione dei modelli teorici.
-Realizzazione di micro-convertitori che implementano le metodologie sviluppate mediante l’impiego di tecnologie MEMS e strati di materiale piezoelettrico.

Risultati a lungo temine
-Promuovere lo sviluppo di sistemi in grado di convertire fonti di energia inutilizzata presenti nell’ambiente per l’alimentazione di microsistemi autonomi.
-Come conseguenza immediata ed economicamente vantaggiosa, lo sviluppo di >>>

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

L’alimentazione di nodi sensoriali wireless, di piccole dimensioni e a basso consumo è un aspetto molto importante che sta spingendo alla ricerca di nuove soluzioni sostitutive delle normali batterie. Una delle motivazioni principali consiste ad esempio nell’impossibilità, in molti contesti reali come ad esempio le reti distribuite con migliaia di nodi, di poter effettuare la sostituzione delle batterie.
Soluzioni basate sull’impiego di celle a combustibile [1, 2] sono promettenti per molte applicazioni, dai telefoni cellulari ai computer portatili, ma richiedono comunque interventi per la ricarica del combustibile.
Chiaramente la ricerca di sorgenti di energia per reti sensoriali wireless richiede l’impiego di fonti rinnovabili di energia ottenibili dalla luce e dall’energia termica o cinetica presenti nell’ambiente di misura. Queste soluzioni potrebbero essere utilizzate sia come unica sorgente di energia o come sorgenti ausiliarie per prolungare la vita del nodo sensoriale.
In tale contesto, le celle solari potrebbero rappresentare una valida soluzione che però è utilizzabile solamente in presenza di luce. Nel caso di applicazioni dove il nodo sensoriale non è esposto alla luce solare tale metodologia non può essere impiegata.
Un’alternativa può essere rappresentata dalla conversione di energia termica mediante l’effetto Seebeck [3]. Con queste soluzioni si è in grado di produrre pochi nW anche se con approcci più recenti si sta cercando di >>>