Consigli su progetto "Energy harvesting" a microcontrollore

[Lucast85]

Ciao a tutti!
Per un esame universitario sto realizzando un progetto riguardante il tema "dell'energy harvesting".
L'idea è quella di riuscire ad alimentare un contachilometri digitale per biciclette (microcontrollore + LCD) senza batteria, ma sfruttando il principio di induzione EM.
Pensavo di utilizzare il magnete che già è presente in ogni contachilometri, installato su un raggio della ruota anteriore, per "eccitare" una bobina installata sulla forcella. Questa bobina produrrà la f.e.m. necessaria per alimentare il sistema.
Il segnale che ottengo è di tipo impulsivo e la frequenza (periodo) sarà legata alla velocità angolare della ruota. In questa maniera non dovrei neanche aggiungere l'interruttore Reed che è presente normalmente in un sistema del genere, ma sarà il solenoide che, oltre a generare l'energia necessaria, consentirà la lettura della velocità.

Come circuito integrato per la gestione dell'energia, il prof. che mi segue mi ha consigliato un LTC3588-1 che solitamente viene utilizzato con i trasduttori piezoelettrici. Leggendo però il datasheet, non ho potuto fare a meno di notare che la minima tensione d'ingresso per iniziare ad accumulare energia sulla capacità di "immagazzinamento" è di se si vogliono almeno in uscita (pag. 3 datasheet).

Dopo aver montato un primo prototipo del sistema magnete-solenoide che simula la ruota della bici in movimento ed aver fatto qualche misura sulla tensione di uscita, sembrano impossibili da raggiungere!!
Allego un immagine della misura fatta con i primi dispositivi che ho avuto fra le mani (magnete e bobina).

Notare che riesco ad ottenere solo picchi di quando la velocità di rotazione corrisponde alla velocità di della bici. In teoria vorrei che la velocità minima di funzionamento del contachilometri fosse .

Per ora posso consolarmi con il fatto che il prototipo è veramente grezzo e costruito con mezzi di fortuna; inoltre il magnete utilizzato è quello di un contachilometri generico (potrei comprarlo più potente) e soprattutto la bobina che ho utilizzato è stata ricavata da un trasformatore da c.s. (con primario e secondario in serie) e con un nucleo ferromagnetico modificato in casa (ho tagliato le "basi" del nucleo ad "E", facendolo diventare un nucleo "I").

In conclusione ho fatto qualche calcolo (anche con l'aiuto di MATLAB) riguardo la possibilità di utilizzare un solenoide auto-costruito adatto alle esigenze, e qualche simulazione in LTSPICE con soprattutto per rendermi conto del funzionamento dell'LTC3588-1. A breve posterò tutto.

Con questo post ho voluto introdurvi l'idea del mio progetto così potrete darmi qualche prezioso consiglio o scoraggiarmi fin da subito .
Da lunedì Vi chiamerò al lavoro per aiutarmi con i calcoli e correggere i miei ove necessario.

Grazie a tutti per l'attenzione, spero di non avervi annoiato!!!

[Lucast85]

Ho iniziato la discussione in fisica generale proprio perché il primo problema da risolvere è quello di riuscire ad ottenere un segnale d'ingresso adatto all'integrato LTC3588-1 tramite un sistema ad induzione.
Obiettivo
La bobina che utilizzerò dovrà fornire in uscita una tensione di almeno quando il ciclista viaggia a (sempre se ho interpretato bene il datasheet a pag.3: quando ).
Velocità tangenziale del magnete
Una MTB, solitamente ha un magnete montato sul raggio della ruota anteriore ad una distanza dal centro della ruota di circa. Una ruota da 26" ha una circonferenza di circa . Il magnete così transita avanti alla bobina (fissata sulla forcella) alla velocità tangenziale di quando il ciclista "sfreccia" a .
Ipotesi per il calcolo della f.e.m. generata dalla bobina
Calcolare la f.e.m. con un campo magnetico non uniforme (per me) è cosa molto difficile quindi ho fatto delle ipotesi semplificative, sicuramente anche troppo.
HP:

• La velocità di avvicinamento del magnete all'asse del solenoide è costante, pari a ed uguale alla velocità con cui il magnete si allontana dall'asse del solenoide;
• La traiettoria del magnete viene approssimata ad una linea retta anche se in realtà è un tratto di circonferenza (arco);
• Il campo magnetico generato dal magnete è diverso da zero solo lungo la proiezione orizzontale del magnete. In altre parole, le linee del campo magnetico considerato formano un cilindro essendo delle linee dritte (solo le linee gialle rappresentano il campo B che sto considerando io).
  
  
  

  Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

• L'intensità del campo magnetico decresce all'aumentare della distanza z dalla superficie del magnete ed è data dalla seguente equazione, fornita da un importatore europeo di magneti: in cui per un magnete con grado di magnetizzazione N52.
  Editato formula e thread come da richiesta. IKZ
  
  
  

  Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Con queste ipotesi, provo a calcolare la f.e.m. indotta considerando una condizione iniziale, in cui il magnete è vicino al solenoide ma il campo magnetico del magnete non si concatena con nessuna spira della bobina ed una condizione finale, in cui tutte le linee del campo magnetico investono l'area interna del solenoide, cioè la superficie di tutte le spire.

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Calcolo della f.e.m.
Calcolo la tensione ai capi delle spire partendo dalla legge di Faraday:
dove e essendo il flusso ed il tempo iniziali entrambi nulli (per ipotesi).
Flusso di B nel solenoide
Dato che non ho trovato nulla in giro, proverò a costruirmi un solenoide a casa. La bobina sarà composta da circa 5000 spire di filo di rame smaltato da di diametro. Le spire saranno avvolte come mostrato qui sotto:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

A questo punto, partendo dall'equazione di fornita sopra, calcolo il flusso magnetico finale che si concatena con la bobina. Ponendo

• n° di spire per ogni strato;
• n° di strati di spire;
• superficie utile per calcolo del flusso di ogni spira; non coincide sempre con l'area della spira. S è identico per ogni spira in quanto abbiamo considerato, per ipotesi, che il campo B sia "rettilineo" e "confinato" entro la proiezione del magnete;
• sezione del filo di rame;
• distanza fra il magnete e la bobina quando i loro assi coincidono (cond. finale);

si ha che
Il calcolo del flusso di B attraverso il solenoide è stato effettuato tramite MATLAB con un paio di funzioni:

Codice: Seleziona tutto

function B= Bfield( Br, D, R, Z )
%Bfield calcola il campo induzione magnetica B di un magnete cilindrico sull'asse a distanza Z
%
%   B= Bfield( Br, D, R, Z )
%
%   Br è un campo magnetico di riferimento (vedi spreadsheet di www.supermagnete.it)
%   D è la profondità del magnete (altezza del cilindro)
%   R è il raggio del cilindro
%   Z è la distanza alla quale si vuole ottenere il valore di campo B
term1=(D+Z)/realsqrt(R^2+(D+Z)^2);
term2=Z/realsqrt(R^2+Z^2);
B=(Br/2)*(term1-term2);
end


function Bfl= Bflux(d,No,Nv,sez)
%Bflux calcola il flusso magnetico attraverso una bobina costituita di spire circolari
%
%   Bfl= Bflux(d,No,Nv,sez)
%
%   d=diametro delle spire della bobina
%   No=numero di spire in orizzontale, lungo l'asse della bobina
%   Nv=Numero di spire in verticale (+ layer di spire sovrapposte)
%   sez=sezione del filo della bobina
Bfl=0;
S=pi*((d/2)^2);
for n=0:(No-1),
    Bfl=Bfl+S*Nv*Bfield(1.42,0.002,0.005,((sez*n)+0.00102));
end


Tenendo presente che il magnete a disposizione è un disco di diametro e di spessore , grado di magnetizzazione N52 (), allora
il flusso di B risulta
Intervallo di tempo Δt
L'intervallo di tempo considerato è dato dalla distanza che percorre il magnete per portarsi dalla condizione iniziale ( in cui il campo B è nullo all'interno del solenoide) alla condizione finale (in cui il campo B all'interno della bobina è massimo in quanto magnete e bobina sono allineati) diviso la velocità con cui avviene questo spostamento; per cui, se il magnete ha un diametro si ottiene .
f.e.m. indotta
Finalmente si ricava la f.e.m. che risulta
Conclusioni
Il risultato ottenuto non sembra essere scoraggiante soprattutto se si nota che è possibile agire su diversi fattori:

• Dimensioni e potenza del magnete;
• Posizione del magnete sulla ruota; infatti mettendolo ad una distanza maggiore dal centro aumenterà la sua velocità tangenziale e diminuirà il Δt
• Si potrebbe aggiungere un nucleo ferromagnetico alla bobina, aumentando in questa maniera il flusso finale di B di volte.

L'ultima opzione sembra la più efficace dato che il valore della permeabilità magnetica relativa per la ferrite (discretamente reperibile) si aggira attorno a qualche centinaia.

Voi, amici di EY, che dite? Posso proseguire per questa strada o prenderò una cantonata pazzesca ?
Consigli, ma anche critiche sono ben accetti.
Grazie a tutti in anticipo!!

[Lelettrico]

Eh ... non si puo' almeno credo ...
Il poster originale dovrebbe sempre avere la possibilta' di modificare il primo post, eeeh ok, ma qui eravamo al secondo. Dal momento che il thread si preannuncia interessante (ometto sul fatto che i supermercati offrono a prezzi stracciati i biciclo-metrizzz-o-zillon con di tutto di +) ti consiglierei di contattare un moderatore di sezione che modifichi il Latex e poi cancellare il mio post ed il tuo ack del mio. Non ti ho contattato PM in quanto sembrava che raramente visitassi il forum, tralasciando le altre considerazioni del caso.
Non saprei in che altra maniera rimettere on shape il thread
Ho anche visitato il ink del produttore ma le figure fanno pena e proprio non si riesce a venirne a capo, la mia considerazione era sulle unita' di misura che se fuori radice proprio non potevano quagliare (come si dice)
Un'altra considerazione riguarda l'uso di B quando con molta probabilita' si vuole indicare il campo, almeno mi sembrava. Sto notando che la notazione dilaga e per questo non ne ho fatto parola. Mah?

Tieni anche presente che la fem cosi' come risulta dall'integrale va data poi in pasto a componenti reali dotati di una soglia minima di funzionamento. Cioe' parti da un valore di fem sfruttabile che e' maggiore di zero (ben maggiore di zero) mmmm ... qualche centinaio di mV ... il minimo che polarizzi una giunzione .. insomma

[Lucast85]

Un'altra considerazione riguarda l'uso di B quando con molta probabilita' si vuole indicare il campo, almeno mi sembrava.

Non capisco...con B volevo indicare il campo induzione magnetica generato dal magnete...

Tieni anche presente che la fem cosi' come risulta dall'integrale va data poi in pasto a componenti reali dotati di una soglia minima di funzionamento. Cioe' parti da un valore di fem sfruttabile che e' maggiore di zero (ben maggiore di zero) mmmm ... qualche centinaio di mV ... il minimo che polarizzi una giunzione .. insomma

Hai perfettamente ragione...è proprio quello il punto. Volendo infatti utilizzare quell'integrato, devo riuscire ad ottenere una tensione di almeno a (confido nel della ferrite), poi ci sarà sempre da calcolare se l'energia sarà sufficiente.
Punto tutto su quell'integrato perché me lo ha proposto il professore e perché già è disponibile presso l'università...insomma far acquistare del materiale extra ad un istituto comporta probabilmente dei tempi molto lunghi ed intoppi burocratici, quindi volevo evitare!
In alternativa, alcuni articoli IEEE propongono dei rettificatori a diodi Schottky (bassa c.d.t. ai loro capi) o dei rettificatori sincroni che sfruttano le basse dei mosfet per raddrizzare i segnali AC. Secondo me sono più adatti dell LTC3588 che utilizzo io però non ho approfondito più di tanto l'argomento.
Se conoscete qualche circuito integrato più adatto per questo scopo proponete pure!

[Lelettrico]

Tranquillo, mi riferifo al fatto che sarebbe la densita' di flusso ma e' invece detta (valore del) "campo magnetico" e/o "induzione magnetica".
In effetti il costruttore che linki usa indifferentemente il termine e non se ne preoccupa minimamente, o meglio lo dice all'inizio ma poi lo chiama semplicemente campo magnetico, tutto qui, non ha grande importanza
In ogni caso "induzione magnetica" presumo sia il termine corretto ...

Per andare sul pratico mi sa che 5000 spire con un B di un tesla e mezzo ad un millimetro che in 34 millisecondi passa da 0 al Bmax e viceversa vengono parecchi volt. Da dove e' uscito quel dieci alla meno 3 del flusso? Non vorrei che ci fosse qualcosa che non quadra.
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/farlaw.html#c1
Verrebbero piu' di 200 V

[Lucast85]

Per andare sul pratico mi sa che 5000 spire con un B di un tesla e mezzo ad un millimetro che in 34 millisecondi passa da 0 al Bmax e viceversa vengono parecchi volt. Da dove e' uscito quel dieci alla meno 3 del flusso?

Mi sfugge qualche applet da quel link che hai postato?
Ho controllato i conti, mi sembrano ok.
Il B ad 1mm, con quel magnete, è di 0,225T (vedere allegato fornito dal costruttore). 5000 spire di area , poste tutte ad 1mm darebbero circa. Se considero anche che alcune delle spire sono più distanti dalla sorgente di campo, ottengo un valore inferiore di flusso! Infatti è così, 19mWb ci sta tutto...

[Lelettrico]

Ok 0.225 T .. e il denominatore con i suoi 40 millisecondi?
Mi viene 2.2078125 e non 0.5

[Lelettrico]

Riprendo il post dopo essere tornato al PC, utilizzando la tua geometria e magnete per 40 millisecondi e usando pari pari la formula nel link (nessuna applet) faccio questo semplice calcolo:



Per 5000 spire:



Poi come usare tutto lo swing in una qualche maniera ... e' altra faccenda

[Lucast85]

Perdonami, sul post [8] ho creato forse un po' di confusione.
Per far veloce i calcoli e stimare almeno l'ordine di grandezza avevo considerato le spire tutte posizionate a z=1mm dal magnete, quindi hai perfettamente ragione a dire che vengono circa 2V.
Nel post 2 invece ho calcolato con tanti flussi (100) ognuno diverso a seconda del campo che interessa la spira a distanza dal magnete; il tutto moltiplicato per Nv=50 che sarebbero le spire a quella distanza z dal magnete (infatti ho 50 strati di spire sovrapposti).
In altre parole, per ogni n-esima spira posizionata a distanza dal magnete, calcolo il flusso poi moltiplico per 50 che sono gli strati di spire per ogni Z. Infine faccio la sommatoria di tutti questi flussi (da n=0 a n=No-1=99) considerando che per ogni n-esima spira ho un campo B diverso.
Quindi mi viene una proprio perché ho considerato che le spire più lontane dal magnete sono interessate da un campo B più debole.
Il calcolo l'ho fatto con la funzione che ho scritto in Matlab che trovi al post [2].
In effetti era un passaggio un po' delicato. Spero di essermi chiarito nonostante il letto mi chiami a gran voce..

[Lelettrico]

Ok, perfetto. adesso comprendo meglio la ragione del risultato.
Ti metto un link ad un boost (Vin < Vout) di Texas Instruments, il valore di Vin minimo che il regolatore accetta e' praticamente quello di una giunzione 0.7 V. Piu' basso di cosi ... se lo trovi fammi sapere.
La tensione in uscita puo' andare da 1.8 a 5.5, quindi un PIC ci sta o potrebbe starci.

La conclusione inevitabile e' che con 500 mV non si riesce a fare granche', o cambi in qualche modo i parametri di harvesting o non saprei come andare avanti.

La cosa migliore a mio parere sarebbe aumentare lo spessore del magnete per avere un B migliore, poi invece di affacciare un solo magnete affacciarne magari due in successione con polarita' opposta per avere uno swing di B doppio. Anche aumentare l'area usando un magnete da 20 mm di diametro e 2 di spessore avrebbe un qualche beneficio.

5000 spire di filo da 0.18 avranno una discreta R serie, questo limita in qualche maniera la capacita' di caricare un condensatore in soli 40 ms (ma il t utile sara' minore). Meno spire possibili piu piatte possibile e maggior campo almeno per arrivare ai fatidici 0.7 V. Poi serve un'energia bastante alla misura, non ho chiaro se il sistema che intendi usare sia sempre acceso, intendo per tutto il ciclo fra un passaggio e l'altro o se invece vada in uno stato sleep che comunque mantiene un timer o un contatore attivo

Texas TPS6122x 0.7 V Input Boost Converter