L'Internet delle cose consente ai nostri gadget intelligenti in casa e alle tecnologie indossabili come i nostri orologi intelligenti di comunicare e operare insieme. Credito:Ponchai nakumpa tramite Pixabay
I sistemi di gestione dell'alimentazione che raccolgono l'energia ambientale alimenteranno miliardi di piccoli dispositivi sull'Internet delle cose.
I minuscoli dispositivi elettronici connessi a Internet stanno diventando onnipresenti. Il cosiddetto Internet of Things (IoT) consente ai gadget intelligenti in casa e alle tecnologie indossabili come gli orologi intelligenti di comunicare e operare insieme. I dispositivi IoT sono sempre più utilizzati in tutti i tipi di settori per promuovere l'interconnettività e l'automazione intelligente nell'ambito della "quarta rivoluzione industriale".
La quarta rivoluzione industriale si basa su tecnologie digitali già diffuse come dispositivi connessi, intelligenza artificiale, robotica e stampa 3D. Si prevede che sarà un fattore significativo nella rivoluzione della società, dell'economia e della cultura.
Questi dispositivi piccoli, autonomi, interconnessi e spesso wireless stanno già svolgendo un ruolo chiave nella nostra vita quotidiana, contribuendo a renderci più efficienti in termini di risorse ed energia, organizzati, sicuri e sani.
C'è una sfida chiave, tuttavia:come alimentare questi piccoli dispositivi. La risposta ovvia è "batterie". Ma non è così semplice.
Piccoli dispositivi
Molti di questi dispositivi sono troppo piccoli per utilizzare una batteria a lunga durata e si trovano in luoghi remoti o di difficile accesso, ad esempio in mezzo all'oceano per monitorare un container o in cima a un silo di grano, monitorando livelli di cereali. Questi tipi di sedi rendono la manutenzione di alcuni dispositivi IoT estremamente impegnativa e commercialmente e logisticamente impossibile.
Mike Hayes, responsabile dell'ICT per l'efficienza energetica presso il Tyndall National Institute in Irlanda, riassume il mercato. "Si prevede che avremo un trilione di sensori nel mondo entro il 2025", ha detto, "sono mille miliardi di sensori".
Quel numero non è così folle come sembra a prima vista, secondo Hayes, che è il coordinatore del progetto EnABLES (European Infrastructure Powering the Internet of Things).
Se pensi ai sensori nella tecnologia che qualcuno potrebbe portare con sé o avere in macchina, a casa, in ufficio oltre ai sensori incorporati nelle infrastrutture che li circondano come strade e ferrovie, puoi vedere da dove viene quel numero, ha spiegato .
"Nel mondo di trilioni di sensori IoT previsto per il 2025, getteremo oltre 100 milioni di batterie ogni giorno nelle discariche a meno che non prolunghiamo in modo significativo la durata della batteria", ha affermato Hayes.
Durata della batteria
La discarica non è l'unico problema ambientale. Dobbiamo anche considerare da dove verrà tutto il materiale per realizzare le batterie. Il progetto EnABLES invita l'UE e i leader del settore a pensare alla durata della batteria sin dall'inizio durante la progettazione di dispositivi IoT per garantire che le batterie non limitino la durata dei dispositivi.
"Non abbiamo bisogno che il dispositivo duri per sempre", ha affermato Hayes. "Il trucco è che devi sopravvivere all'applicazione che stai servendo. Ad esempio, se vuoi monitorare un pezzo di attrezzatura industriale, probabilmente vorrai che duri da cinque a 10 anni. E in alcuni casi, se lo fai fai comunque un servizio regolare ogni tre anni, una volta che la batteria dura più di tre o quattro anni probabilmente è abbastanza buono."
Sebbene molti dispositivi abbiano una vita operativa di oltre 10 anni, la durata della batteria dei sensori wireless è in genere solo di uno o due anni.
Il primo passo per una maggiore durata della batteria è aumentare l'energia fornita dalle batterie. Inoltre, la riduzione del consumo energetico dei dispositivi prolungherà la batteria. Ma EnABLES va ancora oltre.
Il progetto riunisce 11 importanti istituti di ricerca europei. Con altre parti interessate, EnABLES sta lavorando per sviluppare modi innovativi per raccogliere minuscole energie ambientali come luce, calore e vibrazioni.
La raccolta di tali energie prolungherà ulteriormente la durata della batteria. L'obiettivo è creare batterie autocaricanti che durino più a lungo o che alla fine funzionino autonomamente.
Mietitrici di energia
Secondo Hayes, i raccoglitori di energia ambientale, come un piccolo raccoglitore vibrazionale o un pannello solare per interni, che producono basse quantità di energia (nell'intervallo dei milliwatt) potrebbero prolungare significativamente la durata della batteria di molti dispositivi. Questi includono oggetti di uso quotidiano come orologi, tag di identificazione a radiofrequenza (RFID), apparecchi acustici, rilevatori di anidride carbonica e sensori di temperatura, luce e umidità.
EnABLES sta anche progettando le altre tecnologie chiave necessarie per piccoli dispositivi IoT. Non contento di migliorare l'efficienza energetica, il progetto sta anche cercando di sviluppare un quadro e tecnologie standardizzate e interoperabili per questi dispositivi.
Una delle sfide principali con gli strumenti IoT alimentati in modo autonomo è la gestione dell'alimentazione. La fonte di energia può essere intermittente ea livelli molto bassi (microwatt) e diversi metodi di raccolta forniscono diverse forme di energia che richiedono tecniche diverse per la conversione in elettricità.
Rivolo costante
Huw Davies, è amministratore delegato di Trameto, una società che sta sviluppando la gestione dell'alimentazione per applicazioni piezoelettriche. Sottolinea che l'energia proveniente dai dispositivi fotovoltaici tende a venire in un rivolo costante, mentre quella dai dispositivi piezoelettrici, che convertono l'energia ambientale dai movimenti (vibrazioni) in energia elettrica, generalmente arriva a raffiche.
"È necessario un modo per immagazzinare quell'energia localmente in un negozio prima che venga consegnata a un carico, quindi è necessario disporre di modi per gestirla", ha affermato Davies.
È il coordinatore del progetto HarvestAll, che ha sviluppato un sistema di gestione dell'energia per l'energia ambientale chiamato OptiJoule.
OptiJoule lavora con materiali piezoelettrici, fotovoltaici e generatori elettrici termici. Può funzionare con una qualsiasi di queste fonti da solo o con più fonti di raccolta di energia contemporaneamente.
L'obiettivo è consentire ai sensori autonomi di essere autosufficienti. In linea di principio, è abbastanza semplice. "Quello di cui stiamo parlando sono sensori a bassissima potenza che effettuano misurazioni digitali", ha affermato Davies. "Temperatura, umidità, pressione, qualunque essa sia, con i dati inviati a Internet".
Circuiti integrati
Il dispositivo del circuito integrato di gestione dell'energia HarvestAll si adatta ai diversi raccoglitori di energia. Prende l'energia diversa e intermittente creata da questi raccoglitori e la immagazzina, ad esempio in una batteria o in un condensatore, quindi gestisce l'erogazione di un'uscita costante di energia al sensore.
Analogamente al progetto EnABLES, l'idea è quella di creare una tecnologia standardizzata che consentirà il rapido sviluppo di dispositivi IoT a lunga durata/autonomi in Europa e nel mondo.
Davies ha affermato che il circuito di gestione dell'energia funziona in modo completamente autonomo e automatico. È progettato in modo che possa essere semplicemente collegato a una mietitrebbia di energia, o una combinazione di mietitrici e un sensore. In sostituzione della batteria, ha un vantaggio significativo, secondo Davies, perché "Funzionerà e basta". + Esplora ulteriormente
