Nell’ultimo decennio, i sensori wireless sono stati utilizzati per varie applicazioni aeronautiche come il monitoraggio dello stato delle strutture e i test di volo. Il sistema di batterie convenzionali per alimentare questi sensori è inefficiente a causa di numerose limitazioni tra cui il peso elevato, le grandi dimensioni, la minore potenza erogata, il breve ciclo di vita e la necessità di sostituzioni. Pertanto, i sistemi di Energy Harvesting (tradotto: raccolta di energia) stanno acquistando molto interesse da parte della ricerca per realizzare il “sensore wireless autoalimentato”. L’unità di raccolta dell’energia può estrarre direttamente l’energia dall’ambiente locale come pressione, vibrazioni, vento, gradienti termici e solare. Questo articolo è una panoramica su alcune tecniche di raccolta di energia impiegate per alimentare i sensori wireless a bordo degli aerei, in particolare, sulle tecniche di raccolta di energia dalle vibrazioni.

Introduzione

Una struttura aeronautica è costituita da un gran numero di sensori operanti in tempo reale per il corretto funzionamento dei diversi sistemi dell’aereo: il controllo del motore, , il controllo del volo, il monitoraggio dello stato della struttura e il controllo ambientale di cabina. I sistemi convenzionali, che si basano sulle connessioni cablate, sono costituiti da circuiti complessi, hanno peso elevato e breve durata. Inoltre, le dure condizioni ambientali comportano degrado e guasti delle connessioni cablate con gravi conseguenze come la perdita di aerei (e vite umane) e cancellazione di numerose missioni. Per questa serie di motivi, la rete di sensori wireless ha attirato una notevole attenzione verso il miglioramento dell’efficienza del sistema dell’aereo riducendo il peso, migliorando l’efficienza del carburante e aumentando la flessibilità del sistema. Inoltre, l’adozione della rete di sensori wireless riduce significativamente il costo complessivo del sistema. La manutenzione degli aerei è una delle maggiori sfide affrontate dalle industrie aeronautiche. Gli aerei tendono a sviluppare crepe nella struttura a causa di cambiamenti sostanziali delle condizioni del carico, umidità, temperatura, velocità e pressione. Uno dei compiti essenziali è la previsione, il monitoraggio e la prevenzione dei danni strutturali. Il monitoraggio dello stato strutturale viene utilizzato per prevedere i danni e i cedimenti delle strutture. L’integrazione della rete di sensori wireless nel sistema di monitoraggio dello stato strutturale dell’aereo è recentemente adottato dalle varie industrie manifatturiere aeronautiche. Tuttavia, l’alimentazione della rete di sensori wireless è il problema principale per il suo efficiente funzionamento. Una rete di sensori wireless è costituita dai sensori wireless e da una sorgente di energia indipendente. Nella maggior parte dei sistemi, le batterie vengono utilizzate per alimentare la rete di sensori wireless. Tuttavia, le batterie hanno problemi intrinseci come breve durata, densità di potenza limitata, problemi di dispersione e peso. Questi problemi richiedono la sostituzione di centinaia di batterie scariche, il che aumenta i costi di manutenzione e l’impatto dell’inquinamento ambientale. In particolare, le batterie si guastano ad alta quota a causa dell’aumento della temperatura (che può superare 60 °C) e causare problemi di sicurezza come incendio, fuga termica e cedimenti della struttura. Pertanto, le batterie dovrebbero essere eliminate dalle strutture dell’aereo e sostituite da dispositivi autoalimentati mediante l’Energy harvesting, sebbene l’utilizzo autonomo della componente di energy harvesting non sia sufficiente e l’integrazione di un componente di accumulo di energia è essenziale per immagazzinare l’energia raccolta in eccesso e per mantenere l’approvvigionamento energetico durante le condizioni di minore generazione di energia.

L’energia disponibile negli aerei

Nel velivolo sono presenti varie sorgenti di energia che possono essere utilizzate dalle tecniche di energy harvesting. Queste fonti di energia includono vibrazioni, differenze di temperatura, differenze di pressione e deformazioni.

Vibrazioni

Nella struttura di un aereo si verificano vibrazioni meccaniche sia interne che esterne. La principale fonte interna delle vibrazioni è il sistema di propulsione. Le vibrazioni generate sono di vari tipi e dipendono dalla sorgente di vibrazione associata e dalla localizzazione dell’area interessata. I componenti vicini al motore subiscono più vibrazioni a causa delle frequenze multicomponente. La turbolenza dovuta all’aria è la principale fonte di vibrazioni esterne le cui frequenze di vibrazione dipendono dall’altitudine dell’aereo.

Gradienti termici

Un’altra importante fonte di energia nel velivolo sono i gradienti termici che sono sempre presenti nell’aereo. Ad esempio, gli aerei militari hanno un gradiente termico circa 10 volte superiore al gradiente termico medio degli aerei civili. Anche altri componenti hanno differenze di temperatura: la pala del rotore ha un gradiente termico medio di 20 °C, il sistema idraulico situato nella fusoliera presenta un gradiente termico di 40 °C, un certo gradiente termico si verifica anche in cabina.

Energia solare

L’energia solare è una potenziale fonte esterna di energia che fornisce un’eccellente produzione di potenza. La Figura 1 mostra un aereo ad energia solarecon pannelli fotovoltaici.

Tuttavia, alcune limitazioni, come condizioni meteorologiche mutevoli (assenza di luce solare durante la notte e cielo nuvoloso) bassa efficienza, variazione degli angoli incidenti durante il giorno e la struttura complessa dell’aereo, ostacolarne il pieno utilizzo delle tecniche di energy harvesting. Pertanto, i sistemi ad energia solare devono essere progettati correttamente per ottenere i risultati richiesti. Tutte le fonti di energia menzionate, vale a dire vibrazioni, gradienti termici e il solare, sono le fonti promettenti per alimentare i sensori wireless per diverse applicazioni aeronautiche. Una delle fonti di energia che sta acquistando maggiore interesse per l’alimentazione di dispositivi elettronici a basso consumo energetico, come i sensori wireles, è la vibrazione di cui di seguito sono descritte alcune tecniche di raccolta di energia.

Le tecniche di raccolta di energia dalle vibrazioni

Le tecniche di raccolta dell’energia dalle vibrazioni hanno acquistato un grande inetresse per alimentare i dispositivi elettronici abasso consumo energetico come i sensori wireless. La tecnica che converte le vibrazioni meccaniche in energia elettrica è basata su diversi metodi di conversione dell’energia, come il metodo di conversione piezoelettrica, elettromagnetica ed elettrostatica.

Tecnica piezoelettrica

I generatori piezoelettrici sono utilizzati per convertire le vibrazioni meccaniche indotte in un segnale elettrico. I raccoglitori di energia piezoelettrici sono stati molto interessati dalla ricerca e dalle industrie elettroniche per l’integrazione nei diversi dispositivi microelettronici. La tecnica piezoelettrica è uno dei metodi di energy harvesting ampiamente utilizzati per le applicazioni aeronautiche.

Tecnica elettromagnetica

Nella tecnica elettromagnetica, il generatore elettromagnetico converte il moto di un magnete permanente in una tensione elettrica ai terminali della bobina del generatore.

La tensione generata viene ulteriormente utilizzata per alimentare un circuito elettrico. Molti raccoglitori di energia elettromagnetica sono utilizzati per diverse applicazioni.

Tecnica elettrostatica

La tecnica di conversione elettrostatica è basata sul principio di funzionamento del trasduttore elettrostatico, o a condensatore.

Un trasduttore elettrostatico è costituito da un elettrodo fisso e un elettrodo mobile caricati elettrostaticamente in polarità opposta; il movimento dell’elettrodo mobile cambia la capacità tra gli elettrodi e quindi fa cambiare la tensione applicata in proporzione all’ampiezza del movimento dell’elettrodo. Le vibrazioni della struttura dell’aereo provocano una variazione della capacità che si traduce in un aumento di tensione in un sistema a corrente costante o ad un aumento di corrente in un sistema a tensione costante. Questi generatori necessitano di un’unità di ricarica aggiuntiva per il funzionamento iniziale. L’esito soddisfacente di questi dispositivi per le applicazioni pratiche richiede ulteriori miglioramenti per superare diversi inconvenienti quali l’instabilità termica, l’inefficienza meccanica e il design della struttura.

Conclusioni

Le tecniche di Energy harvesting sono metodi efficaci per far funzionare la rete di sensori wireless in un sistema aereo. Il fabbisogno energetico per vari sensori utilizzati nelle applicazioni aeronautiche può essere soddisfatto dalle condizioni ambientali proprie dell’aereo che possono sostituire efficacemente i sistemi cablati e i sistemi di batterie.