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Discussione: Energy scavenging

  1. #1

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    Predefinito Energy scavenging



    Cari amici,

    l'introduzione di alcune tecniche di recupero, trasformazione e riutilizzo di energia meccanica dispersa nell'ambiente puo' completare e dare persino maggiore consistenza all'adagio 'la migliore fonte di energia e' il risparmio', che giustamente sottotitola questa intera sezione del forum.

    Mi riferisco a quello che con termine anglosassone viene chiamato 'energy scavenging' (o 'energy harvesting'), in cui il secondo il verbo 'to scavenge' evoca vividamente l'idea di andare a setacciare energia tra i rifiuti. Si tratta del tentativo di riciclare energia dalle forme in cui normalmente essa pare destinata ad essere persa ai fini di un utilizzo attivo.
    Questo filone di ricerca esiste da diversi anni, ma sta rapidamente conseguendo un notevole interesse per la recente applicazione allo scopo di dispositivi di dimensioni milli- e micrometriche (che possiamo definire nel complesso mesoscopici). Tecnicamente questi sistemi, prodotti adattando le tecniche di fabricazione microelettroniche alla produzione di strutture meccaniche tridimensionali, sono detti microelettromeccanici, e battezzati come 'power MEMS' quando esplicitamente destinati a raccogliere energia.

    In questa prospettiva possiamo catalogare anche le celle solari (anch'esse correlate alla (opto)elettronica) tra i mezzi di captazione di energia dispersa nell'ambiente, e da qui renderci conto che, in effetti, l'ambiente in cui siamo immersi quotidianamente offre anche altre forme di energia latenti e potenzialmente imbrigliabili a fini praticamente utili. Esempi tipici sono i gradienti termici e di pressione, e le vibrazioni meccaniche.

    Queste ultime in particolare sono oggetto di intensa attenzione, sia in ambito commerciale che militare (e' il caso di dire, ovviamente, anzi ancora una volta la ricerca e' sostanzialmente partita da quest'area). Da rilevamenti ambientali e' non difficile derivare la distribuzione spettrale delle sorgenti di vibrazione meccanica tipiche di un determinato luogo o habitat (vale a dire, calcolare intorno a quali frequenze si concentra la maggior parte della potenza meccanica ivi presente), o piu' semplicemente determinare la frequenza (media, in generale) tipica di una stimolazione o disturbo meccanico sperimentato con ricorrenza (per esempio, la cadenza del passo di una persona, la frequenza di vibrazione della lavatrice durante lavaggio e/o centrifuga, la frequenza angolare delle ruote di macchine o biciclette, la frequenza dei principali modi di risonanza di un ponte, di un palazzo o di altre strutture; c'e' spazio per la creativita'!). Cio' noto, si procede ideando un dispositivo in grado di entrare in risonanza con la frequenza desiderata (quindi di oscillare con la massima ampiezza possibile quando sollecitato a tale frequenza); il caso piu' comune, ma non unico, richiede l'utilizzo di masse sospese. Traducendo le oscillazioni in corrente elettrica (per esempio attraverso un trasduttore capacitivo o piezoelettrico) si puo' in teoria avere a disposizione delle quantita' di energia elettrica che, sebbene non elevate nel caso di un singolo dispositivo, possono essere utili per applicazioni semplici (tipo alimentare dispositivi portatili come orologi e telefoni, o reti di sensori distribuiti sulle strutture che si vogliono monitorare), nonche' amplificate disponendo di vasti insiemi di simili dispositivi (cioe' usandoli in parallelo o serie). Macroscopicamente si avrebbe l'impressione di estrarre letteralmente dal nulla (o meglio dai rifiuti) questa energia. E si potrebbero sopportare meglio molte noie 'acustiche' della routine quotidiana (come lo sbattere delle porte, il ticchettio dei tasti del computer, il viavai di passi sui marciapiedi...)! Per esempio, vi invito a leggere a proposito di un progetto in corso d'opera alla Victoria Station di Londra.

    Saluti,
    Massimo
    Ultima modifica di eroyka; 16-10-2009 a 10:07

  2. #2
    Moderatore

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    Grazie Massimo per i tuoi post sempre interessanti (da collezionare, o da pubblicare su qualche rivista)!

    Questo e' un esempio di piccolo generatore a vibrazione, usato in applicazioni ad alta affidabilita' (esempio: elicotteri).

    Questo e' un sistema che sfrutta l'energia cinetica/potenziale delle auto (invece di dissiparla sui freni) e che puo' alimentare per esempio dei caselli autostradali.

    Una mandria che passa su questa piattaforma puo' dare abbastanza energia per una pompa sommersa che pompa l'acqua per l'abbeveraggio.

    Ciao
    Mario

  3. #3
    Seguace

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    ciao mariomaggi
    eccomi qua !!!
    il primo marchingegno non l' ho capito un granche bene , ma applicato alle centrifughe delle lavanderie industriali potrebbe funzionare ?
    sai quanto costa la sciocchezza ???
    da quel po' che ci ho tirato furori credo che ne servirebbero un bel po' di dispositivi.
    x il secondo .... : viva il telepas ... a patto che la società autostrade ci scali il prezzo dell'energia prodotta !!!!
    alla prox !
    p.s. un giorno mi spieghi come fai a trovare ste cose !!!!! fantastico !!!

  4. #4
    Moderatore

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    Ciao tamerlano!

    Il primo oggettino - detto con parole inesatte - e' una specie di accendigas piezo che invece di fare scintille ad alta tensione produce tensione piu' bassa, utilizzabile da carichi molto limitati (esempio: sensori).
    Non ho idea del costo, per ora e' per impieghi professionali di elevata affidabilita' (es.: elicotteri).

    Conosci le sospensioni attive delle auto? Qualcosa di simile, applicato ad una centrifuga, permetterebbe di ANNULLARE alla fonte lo spreco energetico che si crea con i carichi squilibrati.
    Se metti un contrappeso uguale e contrario allo squilibrio e lo servocontrolli, la richiesta di energia primaria per muovere la centrifuga sara' molto minore.
    Aggiungo che molte centrifughe hanno il motore dimensionato male energeticamente, il dimensionamento viene fatto per la coppia di avviamento e non per la potenza a regime. Anche qui ci sarebbe molto da fare, se la gente capisse che bisogna usare motori con classe di efficienza Eff1 almeno per le applicazioni che funzionano per molte ore al giorno.

    Ciao
    Mario

  5. #5
    Amministratore

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    Ciao Mangoo e tutti!

    Grazie mille per l'interessante argomento che hai tirato fuori. E' veramente notevole. Lo conoscevo come curiosità ma non sapevo che si stessero facendo così tanti studi in questa direzione. Veramente bello!

    Sai Mario, il sistema di recupero energia dalle auto mi piace un sacco. E' tanto che cercavo un bel metodo per sfruttare i grandi traffici di auto e quello che hai postato tu mi sembra veramente molto intelligente.
    Immaginalo posto su strade comunali all'ingreeo e in uscita dai paesini che si trovano su quei tratti dove vanno tutti a 100 quando il limite è 50: ottieni una diminuzione della velocità (tipo quei dossi schifossissimi di plastica) ma in più ottieni energia da sfruttare per l'illuminazione piùttosto che per altri servizi.

    A me sta cosa mi intrippa troppo! E proprio sotto casa mia ho una strada di questo tipo...
    Hai idea di che potenze si parla?
    Adesso mi studio un pò meglio il sito che hai postato. Ma in italia non esiste nessuno che produca oggettini simili?

    Grazie a tutti!!
    Roy

  6. #6
    Moderatore

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    Caro Roy,

    Nel caso delle rampe mobili che azionano un generatore elettrico invece penso che sia inevitabile avere una certa rumorosita'.
    La potenza ottenibile e' di alcuni kilowatt, dipende dalla massa e dalla velocita' dei veicoli che arrivano.
    In Italia non c'e' alcuna produzione, ma non sarebbe troppo difficile iniziare, volendo ed avendo i soldi ed il benestare politico per l'applicazione.

    Ciao
    Mario
    Ultima modifica di eroyka; 16-10-2009 a 10:12

  7. #7
    Ospite

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    CITAZIONE (mariomaggi @ 28/8/2006, 22:15)
    Questo e' un sistema che sfrutta l'energia cinetica/potenziale delle auto (invece di dissiparla sui freni) e che puo' alimentare per esempio dei caselli autostradali.

    Geniale!!!
    Io anni fa avevo pensato ad un rullo in acciaio che attraversasse perpendicolarmente le statali.
    Praticamente un banco prova al contrario, ma questo è decisamente meglio.
    Bisognerebbe girare questo thread ai nostri governanti...

  8. #8

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    Cari amici,

    vorrei proseguire la serie di riferimenti puntualmente introdotti da mariomaggi (che ringrazio) introducendo una recente prospettiva dell'energy scavenging che nondimeno sta suscitando notevole interesse.

    Ve la introduco facendo osservare una interessante convergenza: la miniaturizzazione dell'elettronica sta rapidamene riducendo la quantità di potenza richiesta per la sua alimentazione, questo essendo particolarmente vero per le applicazioni 'embedded' e distribuite; allo stesso tempo, l'ordine di grandezza di tale potenza è ormai a portata dei dispositivi di energy scavenging, con particolare riferimento a quelli prodotti con le stesse tecnologie dei circuiti integrati. Si tratta di una convergenza dunque non solo tecnologica, ma anche dimensionale.

    La prospettiva in oggetto riguarda la possibilità di estrazione di potenza motrice o accumulo di energia (ovvero integrazione di potenza nel tempo) dalle quotidiane attività svolte da singoli individui. (Incidentalmente, già da questo semplice specchietto a molti potranno apparire i prodromi dello sfruttamento delle risorse umane, per esempio per sostenere la spesa energetica del cyberspazio di cinematografica memoria. Appurata l'analogia, vi rinfranco confidandovi che non è mio intento spaventarvi...dopo aver osservato che il primo articolo qui citato è stato pubblicato dall'IBM!).

    In un lavoro del 1996[1], Thad Starner, stimolato dall'osservazione dell'elevata quantità di energia (ordine delle centinaia di MJ) che l'organismo umano (sano) è in grado di estrarre dalla propria alimentazione, e dall'altrettanto sorprendente velocità con cui essa può essere consumata, analizzava la 'macchina' umana da un punto di vista termodinamico. Egli formulava il problema di calcolare, sotto condizioni blandamente restrittive e ipotesi di performance motorie ragionevoli, la potenza ed eventualmente il rendimento di attività svolte da una persona di medie dimensioni e peso (68 Kg), con la prospettiva di poterne captare ed attivamente utilizzare anche una piccola percentuale. L'applicazione immediata escogitata dalla IBM è il 'wearable computing', ossia l'alimentazione di dispositivi elettronici, dotati di potenza di calcolo e non solo, che ospitiamo con consueta ma non meno sorprendente indifferenza sul nostro corpo quotidianamente. Si pensi che mentre un desktop pc consuma tipicamente 100 W, un laptop può richiedere 10 W, una CPU da cellulare 1 W, un microcontrollore a bassa potenza alcuni mW.
    Starner produce dei risultati sorprendenti ed interessanti. Ad esempio, il solo gradiente di temperatura corpo umano/ambiente (temperatura standard, 293 K) da luogo ad una efficienza del 5.5%, che evidentemente aumenta con l'irrigidirsi del microclima; e stima che il calore emesso dalla regione del collo circostante il collo possa tradursi, con un apposito trasduttore, in una potenza di 0.3 W. Altri esempio riguardano la potenza estraibile dal lavoro compiuto nell'espirazione del gas polmonare, estraibile sia con maschere facciali sia con trasduttori che cingano la vita della persona (potenza media di 0.5 W), e dal movimento degli arti superiori (superiore al Watt). Ma l'attività più promettente risulta l'uso delle gambe durante la camminata. Il contatto del piede con il terreno ad una andatura normale della persona di cui sopra arriva a produrre secondo Starner fino a 67 W di potenza. Propone pertanto dei metodi per sfruttare questa potenza gratuita.

    Uno di questi, la traduzione piezoelettrica integrata nelle scarpe, è stata recentemente dimostrata e realizzata da un gruppo di ricercatori del MIT Media Laboratory[2]. Il team ha modificato un paio di scarpe inserendo nella suola due tipi di strutture piezotrasduttive perfettamente integrate (senza danno del comfort di marcia): una è un foglio di materiale piezoelettrico esteso su tutta l'area della scarpa che sfrutta l'alternarsi di compressione e tensione assiale (e conseguene strain) indotta dalla torsione della suola della scarpa per la generazione di potenza; l'altra usa una struttura in PZT di dimensioni più ridotte concentrata in corrispondenza dell'area di impatto del tallone (su cui in effetti poggia in determinati frangenti della camminata l'intero peso del corpo). Per una cadenza di 0.9 Hz, il primo metodo produce circa 1 mW su un carico di 250 KOhm, il secondo circa 8 mW su un carico di 500 KOhm. La differenza è maggiore in termini di efficienza, che nel primo caso è stimata attorno al 0.5% mentre sale al 20% per il secondo (quasi quello di una comune automobile). L'immagazzinamento di energia è presieduto da un'elettronica complessa basata su capacità commutate, alloggiata anch'essa nella scarpa. L'applicazione proposta è l'alimentazione di un Radio Frequency IDentification (RFID) tag, da usare in presenza di sensori ambientali.

    Più recentemente, in un articolo[3] pubblicato su Science in cui ancora la camminata di una persona è usata per estrarre potenza motrice. Questa volta lo strumento è alloggiato in uno zaino: si tratta in essenza di una massa sospesa, del peso variabile tra 20 e 38 kg (!), messa in oscillazione dal movimento cadenzato del camminatore. Questo è interpretato come il moto di un pendolo invertito, che viene trasmesso fedelmente alla massa inerziale se questa aderisce al corpo. La potenza prodotta può superare i 7 W. L'applicazione pensata per il dispositivo è coadiuvazione delle attività di lavoratori, scienziati, esploratori e reparti di sicurezza impegnati in situazioni in cui il trasporto di batterie, dalla durata limitata, può risultare non conveniente o impossibile.


    Un caro saluto,
    Massimo



    Riferimenti:
    [1] T. Starner, "Human-powered wearable computing", IBM System Journal, volume 35, pag. 618-629, 1996.
    [2] N. S. Schenk, J. A. Paradiso, "Energy scavenging with shoe-mounted piezoelectrics", IEEE Micro, volume 21, p. 30-42, 2001.
    [3] L. C. Rome, L. Flynn, E. M. Goldman, T. D. Yoo, "Generating electricity while walking with loads", Science, volume 309, p. 1725-8, 2005.

  9. #9
    Appassionato/a

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    Ciao a tutti
    in rete ho trovato una tesi di laurea in ingegneria su dispositivi piezoelettrici.
    Da questa ho ricavato che alcuni piezoelettrici ceramici hanno un fattore di trasformazione dell'energia meccanica (pressione) in energia elettrica 0,5-0,7.
    Vorrei trovare ulteriori conferme di questo dato. Avete delle indicazioni da darmi?

    Esistono in commercio piccoli motorini piezo-elettrici ...
    mi chiedo se non sia possibile fare l'opposto
    dei piccoli generatorini di elettricità che usano il fenomeno piezoelettrico

    Raimondo

    Edited by rbarba - 24/4/2007, 15:33

  10. #10
    Moderatore

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    Segnalo che la tecnologia procede bene in questa direzione. Ecco un altro esempio: Batteryless energy harvesting for embedded designs



    E c'e' anche chi produce sensori di temperatura senza alimentazione e senza collegamenti cablati, lavorano per decenni senza richiedere energia dove e' collocato il sensore.

    Ciao
    Mario

  11. #11
    Moderatore

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    Per illuminare gratis l'albero di Natale segnalo questa fonte energetica naturale, di origine animale : YouTube - ELECTRIC EEL LIGHTS UP CHRISTMAS TREE

    Ciao
    Mario
    Molto urgente: cerco socio: Collaborazione a Milano
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    Mala tempora currunt, non contattatemi piu' per questioni riguardanti il forum, grazie, il mio tempo e' finito.
    -------------------------------------------------------------------
    L'energia non si crea ne' si distrugge, ma ne sprechiamo troppa in modo irresponsabile. Sito personale: http://evlist.it
    Se fate domande tecniche e volete risposte dal forum precise e veloci, "date i dati" specificando anche l'ambiente operativo e fornendo il maggior numero possibile di informazioni.
    ------------------------------------------------

  12. #12
    Appassionato/a

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    Predefinito Metodo semplice per recuperare energia dalle auto in corsa (troppo...)

    Quote Originariamente inviata da eroyka Visualizza il messaggio
    Ciao Mangoo e tutti!

    Grazie mille per l'interessante argomento che hai tirato fuori. E' veramente notevole. Lo conoscevo come curiosità ma non sapevo che si stessero facendo così tanti studi in questa direzione. Veramente bello!

    Sai Mario, il sistema di recupero energia dalle auto mi piace un sacco. E' tanto che cercavo un bel metodo per sfruttare i grandi traffici di auto e quello che hai postato tu mi sembra veramente molto intelligente.
    Immaginalo posto su strade comunali all'ingreeo e in uscita dai paesini che si trovano su quei tratti dove vanno tutti a 100 quando il limite è 50: ottieni una diminuzione della velocità (tipo quei dossi schifossissimi di plastica) ma in più ottieni energia da sfruttare per l'illuminazione piùttosto che per altri servizi.

    A me sta cosa mi intrippa troppo! E proprio sotto casa mia ho una strada di questo tipo...
    Hai idea di che potenze si parla?
    Adesso mi studio un pò meglio il sito che hai postato. Ma in italia non esiste nessuno che produca oggettini simili?

    Grazie a tutti!!
    Roy
    Ciao a tutti Potresti provare a distendere sull'asfalto tubi di gomma robusti diametro interno circa 8 cm chiusi da un lato con una valvola di sola entrata per l'aria e dall'altro lato con una di sola uscita. Le uscite collegate ad un collettore che alimenta un serbatoio di aria compressa il quale a sua volta alimenta un piccolo moto-generatore pneumatico. Penso 20 tubi a 25cm l'un dall'altro.
    Tutto solo immaginato e da provare sperimentalmente in stile Tesla, ma è talmente semplice che potrebbe funzionare.
    Inoltre i tubi come pensati infastidirebbero le auto sensa creare pericoli alla circolazione o danni alle auto.

  13. RAD

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