Energy harvesting nella smart grid

La smart grid sta lentamente diventando una realtà via via che le reti si estendono in tutta Europa. L'Unione Europea punta a sostituire almeno l'80% dei contatori di corrente con i cosiddetti "contatori intelligenti" (smart meter) entro il 2020 per ridurre le emissioni quasi del 10% e parimenti il consumo annuale di energia per famiglia.

Quasi 200 milioni di smart meter per l'elettricità e 45 milioni per il gas saranno introdotti in tutta Europa entro il 2020, rappresentando il 70% di tutti i consumatori. Con un costo medio di installazione di uno smart meter tra € 200 e € 250, si tratta di un investimento di 45 miliardi di euro, ma questo è solo un risvolto della medaglia. Le spese in conto capitale sono alte, ma così sono le spese operative per assicurarsi che la smart grid fornisca tutti i dati vitali.

Parte della spinta verso una smart grid è il desiderio di fare un uso più efficiente delle risorse rinnovabili come l'energia solare ed eolica. Via via che molti impianti eolici e fotovoltaici vengono installati in Europa, c'è una crescente necessità di raccogliere dati più precisi sull'uso dell'energia in case, uffici e fabbriche al fine di fare un uso migliore possibile di queste fonti rinnovabili. Questa esigenza sta creando una rete di smart meter che misurano l'energia in una casa e reti di sensori wireless che possono fornire dati più dettagliati sull'utilizzo dell'energia. Questo determina anche l'introduzione di dispositivi di gateway, spesso in sottostazioni locali, che raccolgono i dati e li inviano ai fornitori di energia elettrica in tempo reale, spesso utilizzando le linee elettriche stesse come controller.

Tutto ciò rappresenta anche un'opportunità per l'energy harvesting nell'ambito dei sistemi elettronici nella rete. Uno dei principali costi di una rete smart grid è la manutenzione e la sostituzione delle batterie in contatori e sensori della rete. Utilizzando la tecnologia di energy harvesting nei contatori domestici e nelle sottostazioni più industriali si può ridurre drasticamente i costi di gestione della smart grid.

Ciò può fare ricorso a diverse tecnologie di energy harvesting, dalle celle solari alle reti di sensori wireless di alimentazione, in modo che generatori termici possano convertire una differenza di temperatura in energia elettrica per una sottostazione.

L'energia solare può essere utilizzata in vari modi, da piccole cellule su singoli sensori a un array più grande che alimenta un gateway per raccogliere i dati lungo la rete.

L'array di pannelli solari di Parallax è in grado di generare fino a 34 watt di energia elettrica da un'installazione sul tetto per alimentare le apparecchiature di rete. È abbastanza robusto per la generazione permanente di energia (comprese le installazioni sul tetto) e può anche essere utilizzato in molte applicazioni portatili. Utilizza dodici celle solari monocristalline di 125 mm a 2,85 watt, con un'efficienza attorno al 18,5% montate su una base in policarbonato stabilizzata UV con pannelli di copertura per la durevolezza in ambienti esterni. Un pannello di base fresato su misura semplifica il montaggio e protegge le celle solari e mentre la potenza massima generata è di 6,3 V_c.c. a 5,4 A, è possibile concatenare più unità per fornire maggiore tensione, corrente o potenza, a seconda delle esigenze del gateway della rete di sensori.  

Figura 1: L'array di pannelli solari di Parallax può generare 34 W di potenza.

Per convertire la potenza per il gateway di rete, è possibile utilizzare un kit di sviluppo per l'harvesting di energia solare come eZ430-RF2500-SEH di Texas Instruments. Il sistema gestisce e conserva energia supplementare in una coppia di batterie ricaricabili a film sottile in grado di erogare una potenza sufficiente per oltre 400 trasmissioni, anche al buio. Questi agiscono da buffer di energia che immagazzinano l'energia mentre l'applicazione è in stato sospeso e ha luce a disposizione da assorbire. Le batterie vantano anche un'autoscarica molto bassa, fondamentale per un sistema di energy harvesting. La scheda è un tool di sviluppo wireless completo MSP430 basato su USB e fornisce tutto l'hardware e il software necessari per usare il microcontroller MSP430F2274 e il transceiver wireless CC2500 a 2,4 GHz. Comprende un'interfaccia di debug USB che permette il debug e la programmazione in sistema in tempo reale di un microcontroller MSP430 a bassa potenza di 16 MHz e funge anche da interfaccia per trasferire i dati a un PC dal sistema wireless. Gli indicatori di temperatura e di intensità del segnale RF integrati possono essere utilizzati per monitorare l'ambiente e molti sensori esterni possono essere utilizzati per raccogliere dati aggiuntivi.

Figura 2: La scheda di sviluppo per energy harvesting eZ430 di TI può supportare celle solari o generatori termoelettrici per smart grid.

La scheda si collega anche facilmente all'energy harvester termoelettrico WPG-1 di Laird Technologies tramite un connettore a 6 pin. WPG-1 è un generatore termoelettrico a film sottile autonomo utilizzabile per reti di sensori wireless e per i gateway di una sottostazione. Fornisce fino a 1,5 mW di potenza in uscita utilizzabile e può gestire un ampio intervallo di resistenze di carico.

Il generatore utilizza un convertitore step-up a bassissima tensione per fornire potenza di uscita utilizzabile a differenziali di temperatura inferiori a 20 °K, che lo rende adatto per sfruttare la differenza di temperatura tra l'interno e all'esterno di un edificio. La potenza di uscita può essere regolata per accettare tre punti di tensione: 3,3 V, 4,1 V o 5,0 V e la scheda a circuiti integrati include interruttori DIP per impostare la tensione di uscita. I collegamenti elettrici possono essere realizzati utilizzando il connettore a 2 o 6 pin su scheda che funziona con la scheda di sviluppo eZ430.

Figura 3: Il dispositivo WPG-1 di Laird Technologies genera energia da una differenza di temperatura di soli 20 °K.

Un altro modo consiste nel creare un sistema di gestione della potenza dedicato, in grado di gestire una varietà di fonti di energy harvesting. bq25570 di Texas Instruments è specificamente progettato per un funzionamento efficiente nell'intervallo dai microwatt ai milliwatt ed è fornito con fonti c.c. ad alta impedenza di uscita quali celle solari o generatori termoelettrici (TEG) senza sovraccaricare troppo tali fonti. La gestione della batteria nel dispositivo assicura che una batteria ricaricabile non sia sovraccaricata dall'energia estratta, con tensione potenziata o impoverita oltre i limiti di sicurezza da un carico di sistema. Oltre al caricatore di sovralimentazione ad alta efficienza, bq25570 integra un convertitore buck altamente efficiente in nanopotenza per la fornitura di un secondo rail di alimentazione a sistemi quali reti di sensori wireless (WSN) che richiedono una fonte di tensione costante.

bq25570 implementa anche una rete di campionamento programmabile con inseguimento del punto di massima potenza (MPPT) per ottimizzare il trasferimento di potenza nel dispositivo. La frazione della tensione a circuito aperto che viene campionata e trattenuta può essere controllata impostando un pin alto o basso (80% o 50%, rispettivamente) o mediante resistori esterni. Questa tensione campionata è mantenuta tramite un circuito di campionamento interno e trattenuta con un condensatore esterno.  Ad esempio, le celle solari funzionano in genere con un punto di massima potenza (MPP) all'80% della tensione a circuito aperto, quindi impostando la soglia MPPT su 80% consente al dispositivo di regolare la tensione sulla cella solare per assicurarsi che la tensione VIN_DC non scenda sotto una tensione impostata. Una tensione di riferimento esterno è utilizzabile anche per consentire a un microcontroller esterno di implementare un algoritmo MPPT più complesso.

Figura 4: bq25570 di TI può essere utilizzato per creare un controller per la gestione di potenza ottimizzato che supporta gli algoritmi di rilevamento del punto di massima potenza per la corrispondenza di potenza efficiente.

bq25570 è progettato con la flessibilità di supportare una varietà di elementi di immagazzinaggio dell'energia, dato che l'energia catturata spesso può essere sporadica o variabile nel tempo. I sistemi in genere avranno bisogno di un certo tipo di elemento di immagazzinaggio dell'energia, ad esempio una batteria ricaricabile o un supercondensatore capace di fornire potenza costante e affidabile al sistema e gestire anche eventuali correnti di picco. Per evitare danni all'elemento di immagazzinaggio, le tensioni minima e massima sono monitorate rispetto al livello predefinito di sottotensione e alla sovratensione programmata dall'utente, per segnalare una situazione dove la tensione su una batteria o un condensatore di immagazzinaggio dell'energia scende al di sotto di un livello critico preimpostato. Questo dovrebbe attivare la riduzione delle correnti di carico per impedire al sistema di entrare in una condizione di sottotensione.

Tutto questo è confezionato in un contenitore QFN a 20 conduttori 3,5 x 3,5 mm (RGR) a ingombro compatto in modo che l'elemento di gestione di potenza possa essere installato facilmente a fianco della fonte di energy harvesting.

Conclusione

L'uso delle fonti di energy harvesting per alimentare i diversi elementi della smart grid può dare notevoli vantaggi ai fornitori di sistemi e alle aziende elettriche. Riducendo drasticamente la necessità di sostituire le batterie in reti con sensori wireless o persino eliminandole del tutto, si può risparmiare notevolmente sui costi di esercizio. L'energy harvesting mediante grandi array di celle solari o generatori termoelettrici, accoppiati con i dispositivi di immagazzinaggio dell'energia e di gestione alimentazione appropriati, può fornire potenza senza manutenzione sia per le reti che raccolgono i dati essenziali per la smart grid sia per i gateway che raccolgono e consegnano i dati agli operatori.