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Uno dei punti da sviluppare, propostoci dall'azienda, era l'individuazione e la messa a punto di soluzioni di energy harvesting che sfruttino le variazioni intrinseche di temperatura del prodotto.

Energy Harvesting (anche conosciuto come Power Harvesting, Energy Scavenging e tradotto alle volte come Energia racimolata) è il processo per cui l'energia, proveniente da sorgenti alternative (ad esempio energia solare, energia termica, energia eolica, gradienti di salinità e di energia cinetica) viene catturata e salvata. Le cosiddette forme di energia alternative sono tutte quelle sorgenti comunemente disponibili nell'ambiente; tale processo le converte in energia elettrica direttamente utilizzabile.

Un tipico sistema di energy harvesting ingloba un trasduttore, un dispositivo di stoccaggio temporaneo dell’energia elettrica (super-condensatore o batteria) e un circuito condizionatore che adatta il voltaggio e la corrente generata al carico. Questo sistema può essere direttamente integrato nel dispositivo utilizzatore oppure essere collegato esternamente. Il cuore del sistema è comunque il trasduttore/generatore che è progettato in base al tipo di fonte energetica.

I dispositivi in grado di raccogliere e convertire l'energia ambientale in energia elettrica hanno suscitato molto interesse sia nel settore militare che commerciale. Nel nostro caso eravamo  interessati a indagare i dispositivi che recuperano energia dalle fonti di calore (variazioni di temperatura). In presenza di gradienti termici si possono utilizzare generatori termoelettrici, con una tensione tipica di 0,1-0,2 mV/K. Si possono anche ottenere potenziali utili per un uso diretto, semplicemente disponendo in serie numerosi generatori. Le potenze prelevate sono in genere dell'ordine dei mW e si può anche sfruttare il calore umano e animale. Spesso sono accoppiati a dei dissipatori per migliorare (aumentare) il gradiente di temperatura.

Oggi, a causa della conoscenza degli effetti Seebeck e Peltier, materiali termoelettrici possono essere utilizzati come riscaldatori, refrigeratori e generatori (Tegs). I materiali termoelettrici ideali hanno un alto coefficiente Seebeck, elevata conducibilità elettrica e bassa conducibilità termica. La bassa conducibilità termica è necessaria a mantenere un elevato gradiente termico alla giunzione. Termocoppie miniaturizzate sono state sviluppate in modo da convertire  il calore corporeo in energia elettrica e generare da 40μW a 3V con un gradiente di temperatura di 5 gradi, d'altro canto grandi termocoppie sono utilizzate in batterie RTG nucleari.

Uno svantaggio per la conversione di energia termoelettrica è la bassa efficienza (attualmente meno del 10%). Lo sviluppo di materiali che sono in grado di operare in gradienti di temperatura più elevati e che possono condurre bene l'elettricità, senza essere anche conduttori di calore (qualcosa che è stato fino a poco tempo pensava impossibile), si tradurrà in una maggiore efficienza.

Soluzioni proposte

• Fujitsu Develops Hybrid Energy Harvesting Device for Generating Electricity from Heat and Light
• LTC3108 - Ultralow Voltage Step-Up Converter and Power Manage
• eTEG PG24 (Laird technologies)

E’ stato presentato ufficialmente dall’azienda nel corso dell’International Electron Devices Meeting 2010 (IEDM 2010) di San Francisco ricevendo grande attenzione dagli operatori del settore. La tecnologia si basa sull’utilizzo di semiconduttori posizionati all’interno del circuito elettrico che sono in grado di produrre energia sia in modalità termodinamica che fotoelettrica (dando la possibilità all’utilizzatore di scegliere tra l’una e l’altra).

La novità introdotta da Fujitsu è l’utilizzo per la sua realizzazione di un materiale organico che presenta costi di approvvigionamento molto bassi e che di conseguenza rende il dispositivo molto concorrenziale nel proprio mercato.

The LTC®3108 è un convertitore integrato DC/DC ideale per la cattura e l'utilizzo dell'energia in eccesso per fonti a tensione estremamente bassa come TEGs (thermoelectric generators), termopile and piccole celle solari. La tipologia step-up funziona con tensioni in ingresso a partire da 20 mV. The LTC3108 è funzionalmente equivalente a  LTC3108-1 tranne che per le sue opzioni di VOUT fissai. Usando un piccolo trasformatore step-up, l'LTC3108 fornisce una soluzione di gestione di potenza per il rilevamento wireless e acquisizione dati. La  LDO di 2.2V dà potenza a un microprocessore esterno, mentre l'uscita principale è programmata per una delle quattro tensioni fisse per alimentare un trasmettitore wireless o sensori.

L'indicatore di buona potenza indica che la tensione di uscita principale è in regola. Una seconda uscita può essere abilitata dall'utilizzatore. Un condensatore di accumulo fornisce alimentazione quando la sorgente di tensione di ingresso non è disponibile. La corrente di riposo estremamente bassa e il design ad alta efficienza assicurano un più veloce tempo di carica del condensatore di uscita. L'LTC3108 è disponibile in un piccolo pacchetto isolato.

La serie eTEG è un micro generatore termoelettrico che raccoglie il calore di scarto e lo converte in corrente continua di uscita utilizzabile. Grazie alla conversione di calore in corrente di alimentazione questo dispositivo è adatto per l'uso in applicazioni per alimentare sensori wireless e reti di sensori. Una eTEG PG24 è in grado di produrre 90 milliwatt di potenza di uscita e 1,7 volt in un circuito aperto a una differenza di temperatura di 100 C tutto all'interno di un footprint 6,9 mm2. Questa unità è assemblata con sottile pellicola di materiale semiconduttore termicamente conduttivo in ceramica, nitruro di alluminio e oro placcato. La serie eTEG è progettata per applicazioni a bassa potenza di uscita con stretti vincoli di spazio geometrici.