SISTEMI DI RECUPERO DI ENERGIA E SENSORI BASATI SU DIFFERENTI TECNOLOGIE

Questo lavoro descrive i principali risultati raggiunti dall’autore durante il Ph.D.. La richiesta continua di smart sensors ha aperto le porte a nuove attività di ricerca che mirano a superare i limiti dei convenzionali sistemi alimentati a batteria: ovvero la capacità limitata di energia di cui essi dispongono. Nonostante la disponibilità di sistemi sempre più ottimizzati dal punto di vista energetico il problema della durata della batteria rimane uno dei principali ostacoli alla diffusione di sistemi wireless e dell’Industrial Internet of Thinghs (IIoT).Per superare questa sfida, l’autore ha quindi partecipato a un progetto di ricerca volto ad analizzare, sviluppare ed implementare sistemi di Energy Harvesting(EH) per applicazioni di Wireless Sensors Networks (WSNs) e IIoT. In particolare l’attività è stata rivolta a due principali filoni di ricerca. Ha sviluppato inizialmente nuovi trasduttori triboelettrici per la conversione di energia meccanica(da vibrazioni o impatti ripetitivi) e viceversa per l’utilizzo come sensori. Successivamente si è occupato del progetto e realizzazione diun oscillatore a bassissima tensione di alimentazione che può esser usato sia come convertitore DC-DC per il recupero di energia da piccoli gradienti termici sia come stadio sensore a bassissima potenza. In questo scenario il candidato ha sviluppato dei dispositivi triboelettrici Contact-Mode Triboelectric Energy Harvesting Devices (CM-TEHDs) per il recupero di energia meccanica che si basano sulla combinazione di due principi fisici: l’elettrificazione da contatto e l’induzione elettrostatica. Il potenziale che si origina dal movimento relativo dei materiali può esser sfruttato per sostenere una corrente elettrica in un circuito. I dispositivi,realizzati e testati in laboratorio, sono capaci di generare un potenza di 5.5µW se soggetti a ripetitivi impatti di 65N. Questi dispositivi sono stati realizzati con silicone commerciale che è un materiale a basso costo e facilmente reperibile. Per ottimizzare le performance dei dispositivi si è creato un modello triboelettrico che tiene in conto dei vari parametri funzionali introducendo per la prima volta la dipendenza dalla forza di contatto dovuta agli impatti fra i materiali. Il principio triboelettrico quindi stato sfruttato per la realizzazione di un sensore di flusso energeticamente autonomo e a basso costo per la misura del flusso di gas e fluidi. In aggiunta alle attività sopra menzionate il candidato ha anche sviluppato un convertitore DC-DC alimentato da bassissime sorgenti di tensioni provenienti da generatori termoelettrici (ThermoElectric Generators, TEGs). Lo stato dell’arte dei TEGs commerciali è in grado di fornire una tensione di 20mV con un gradiente termico maggiore di 2°C.Per avere una conversione DC-DC da una sorgente a bassa tensione ad una a più alta tensione è necessario innescare un’oscillazione che amplifichi il segnale. Lo stato dell’arte dei sistemi di conversione mostra una soglia minima di start-up della conversione a 20mV. Questo impone un importante limite alla soglia minima di energia recuperabile. Per superare questi limiti si è cercato di abbassare la tensione di start-up, proponendo migliorie circuitali ai tradizionali convertitori. Il convertitore realizzato è in grado di caricare un condensatore di 500uF, completamente scarico, oltre 2.1V in 524s partendo da un ingresso di 11mV. Il circuito realizzato è quindi in grado di convertire l’energia generata da un TEG sottoposto a un gradiente termico di soli 0.6°C. Infine il candidato ha progettato un oscillatore Pierce a bassa tensione di innesco per la realizzazione di un sensore di prossimità induttivo a bassissima potenza.