IT202100001397A1 - Rectenna per conversione di energia - Google Patents

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Braguine Patricia Guedes
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Description

DESCRIZIONE
Annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo
?Rectenna per conversione di energia?
La presente invenzione riguarda il settore tecnico dei dispositivi per la generazione e la gestione dell?energia.
In particolare, la presente invenzione riguarda una rectenna impiegabile per conversione dell?energia traportata da un?onda elettromagnetica in energia elettrica, in particolare in un segnale di corrente.
La crescente domanda di energia elettrica si scontra inevitabilmente con gli svantaggi derivanti dall?impatto ambientale negativo causato dall?utilizzo di fonti inquinanti tradizionali.
In tale contesto ? nota un?ampia gamma di soluzione che in maniera pi? o meno efficiente permettono la generazione/conversione di energia proveniente da fonti pulite ovvero ad impatto ambientale ridotto o nullo. Un esempio interessante ? rappresentato dalle rectenne, ovvero speciali antenne utilizzabili per convertire direttamente l?energia trasportata da onde elettromagnetiche in corrente continua.
Tuttavia, la richiedente ha osservato che la tecnologia attualmente disponibile presenta ancora dei margini di miglioramento in quanto l?efficienza di tale soluzione ? attualmente limitata a livello strutturale sia per quanto riguarda la quantit? di energia producibile che relativamente all?intervallo di lunghezze d?onda con le quali le rectenne note sono in grado di sintonizzarsi (limitato prevalentemente alle microonde e alle onde radio).
Pertanto, ? fortemente sentita la necessit? di sviluppare nuove soluzioni realizzative in grado di migliorare le prestazioni di conversione delle rectenne.
In questo contesto, il compito tecnico alla base della presente invenzione ? proporre una rectenna che superi almeno alcuni degli inconvenienti della tecnica nota sopra citati.
In particolare, ? scopo della presente invenzione mettere a disposizione una rectenna in grado di ottimizzare il processo di conversione di energia. Il compito tecnico precisato e gli scopi specificati sono sostanzialmente raggiunti da una rectenna, comprendente le caratteristiche tecniche esposte in una o pi? delle unite rivendicazioni.
Secondo la presente invenzione viene mostrato una rectenna per la conversione di energia che comprende un elemento di supporto.
Preferibilmente l?elemento di supporto ha una configurazione piastriforme. La rectenna comprende ulteriormente una prima pluralit? di nanofibre elettricamente conduttive depositata sull?elemento di supporto.
La prima pluralit? di nanofibre definisce un raddrizzatore di corrente della rectenna.
La rectenna comprende ulteriormente una seconda pluralit? di nanofibre elettricamente conduttive depositata sulla prima pluralit? di nanofibre.
La seconda pluralit? di nanofibre definisce un?antenna della rectenna configurata per captare un?onda elettromagnetica.
Vantaggiosamente, l?utilizzo delle nanofibre per realizzare i componenti essenziali della rectenna permette di migliorarne le prestazioni grazie al sostanziale incremento di superficie specifica che pu? interagire con l?onda elettromagnetica per captarla e convertirla in corrente elettrica.
Le rivendicazioni dipendenti, qui incorporate per riferimento, corrispondono a differenti forme di realizzazione dell'invenzione.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno maggiormente chiari dalla descrizione indicativa, e pertanto non limitativa, di una forma di realizzazione preferita ma non esclusiva di una rectenna, come illustrato negli uniti disegni in cui:
- la figura 1 mostra una rappresentazione schematica della rectenna secondo la presente invenzione;
- la figura 2 mostra schematicamente un dispositivo per la conversione di energia che implementa una pluralit? di rectenne.
Nelle figure allegate con il riferimento numerico 1 viene genericamente indicata una rectenna.
La rectenna 1 ? una tipologia di antenna utilizzabile per eseguire una conversione dell?energia che viene traportata da un?onda elettromagnetica (n special modo microonde e onde radio) in corrente continua. Tale conversione viene eseguita grazie all?accoppiamento di un?antenna, nella quale l?onda elettromagnetica ricevuta genera una corrente alternata, con un raddrizzatore di corrente che converte la corrente alternata generata nell?antenna in corrente continua.
In accordo con la presente invenzione, la rectenna 1 comprende un elemento di supporto 2, una prima pluralit? 3 di nanofibre ed una seconda pluralit? 4 di nanofibre.
L?elemento di supporto 2 presenta preferibilmente una conformazione piastriforme, vale a dire che definisce e fornisce una superficie piastriforme che ha la funzione di sostenere almeno alcuni degli altri componenti della rectenna 1.
la prima pluralit? 3 di nanofibre comprende nanofibre elettricamente conduttive le quali sono depositate sull?elemento di supporto 2 a definire un raddrizzatore di corrente della rectenna 1.
La seconda pluralit? 4 di nanofibre comprende anch?essa nanofibre elettricamente conduttive le quali sono depositate sulla prima pluralit? 3 di nanofibre in modo tale da definire un?antenna della rectenna 1 configurata per captare un?onda elettromagnetica.
In altre parole, la seconda pluralit? 4 di nanofibre definisce una superficie di interfaccia in grado di ricevere un?onda elettromagnetica generando in risposta un segnale di corrente alternata che viene trasmesso alla prima pluralit? 3 di nanofibre che lo riceve e a sua volta lo converte in un segnale di corrente continua che pu? essere quindi successivamente trasmesso (come verr? approfondito nel seguito) ed utilizzato/immagazzinato.
Vantaggiosamente la realizzazione delle componenti della rectenna 1 mediante nanofibre permette di aumentare significativamente la superficie specifica disponibile e di modulare in funzione della dimensione e/o della disposizione delle nanofibre la specifica lunghezza d?onda con cui la rectenna 1 pu? sintonizzarsi ampliando l?intervallo di lunghezze d?onda sfruttabili per la conversione/generazione di energia elettrica.
Per produrre nanofibre continue e per depositarle in modo tale da ottenere prestazioni di conversione particolarmente elevate, la prima pluralit? 3 di nanofibre e la seconda pluralit? 4 di nanofibre sono realizzate mediante un processo di elettrofilatura.
L?elettrofilatura ? un processo produttivo che consente di ottenere filamenti continui di materiale sintetico del diametro straordinariamente piccolo. Operativamente tramite un processo di elettrofilatura ? possibile stirare un getto polimerico all'interno di un elevato campo elettrico.
Le nanofibre cos? prodotte possono raggiungere diametri ridotti di molto inferiori a quelli ottenibili impiegando tecniche tradizionali.
In dettaglio un sistema per l?elettrofilatura comprende essenzialmente una filiera ed un collettore.
All?interno della filiera viene inserita una riserva di materiale precursore, fuso o in soluzione, al quale viene applicato un campo elettrico.
Innalzando il potenziale elettrostatico applicato aumenta la carica superficiale del materiale precursore, fino al momento in cui, grazie alla carica superficiale acquisita, il materiale precursore allo stato liquido riesce a vincere la tensione superficiale che ne influenza la forma e ad assume la conformazione nota come cono di Taylor, la cui forma dipende dal rapporto tra tensione superficiale e repulsione elettrostatica delle molecole presenti nel materiale precursore.
A causa dell?effetto di punta si verifica una concentrazione di cariche nella punta del cono di Taylor e conseguentemente il materiale precursore tende ad essere eiettato a causa dell?attrazione esercitata dal campo elettrico applicato che risulta essere molto pi? forte sulla punta, dove si verifica la maggior concentrazione di cariche, che non sul corpo del cono di Taylor.
Il getto eiettato attraversa quindi due fasi, una prima fase in cui, ancora allo stato liquido, procede linearmente lungo il campo elettrico applicato in direzione del collettore, ed una seconda fase in cui, passando allo stato solido, le cariche presenti nel getto migrano verso la superficie della fibra che si ? formata causandone, sotto effetto del campo elettrico applicato, la curvatura ed un ulteriore assottigliamento.
La seconda fase continua fino a quando la nanofibra raggiunge il collettore dove viene infine raccolta in modo tale da definire la prima pluralit? 3 (quindi il raddrizzatore) o la seconda pluralit? 4 (quindi l?antenna) di nanofibre della rectenna 1.
In generale, vale a dire indipendentemente dal processo produttivo implementato, l?adesione fra le nanofibre ? realizzata grazie alla presenza di una sostanza bioadesiva applicata in concentrazioni comprese tra il 7% ed il 66% peso/peso, comprendente almeno uno tra: destrano, derivati della cellulosa quale carbossimetilcellulosa, idrossilpropilmetilcellulosa (HPMC) od ossidi di polietilene.
Sempre in maniera indipendente dallo specifico processo produttivo implementato, la prima pluralit? 3 di nanofibre e/o la seconda pluralit? 4 di nanofibre comprende almeno due sottoinsiemi di nanofibre comprendente nanofibre allineate lungo rispettive direzioni di deposizione, preferibilmente la direzione di deposizione di ciascun sottoinsieme di nanofibre essendo inclinata rispetto alla direzione di deposizione di almeno un differente sottoinsieme di nanofibre.
In particolare, ciascuna pluralit? 3, 4 di nanofibre comprende due sottoinsiemi di nanofibre depositati lungo due direzioni di deposizione tra loro perpendicolari in modo tale da conferire alla rectenna una configurazione a griglia che permette di massimizzare l?interazione con l?onda elettromagnetica incidente.
Preferibilmente, l?elemento di supporto 2 e/o la prima pluralit? 3 di nanofibre di nanofibre e/o la seconda pluralit? 4 di nanofibre sono realizzati con almeno un materiale selezionato tra: materiali conduttivi, preferibilmente policaprolattone (PCL, A-PCL), polianiline (PANI, PANI-3) e loro combinazioni, materiali strutturalmente conduttivi, preferibilmente nanotubi di carbonio, materiali semiconduttori, preferibilmente diossido di titanio (TiO2) e ossido di zinco (ZnO).In altre parole, ciascun elemento costitutivo della rectenna 1 pu? essere realizzato in maniera indipendente e autonoma facendo ricorso ad uno qualsiasi dei materiali sopra indicati o ad una loro combinazione.
In accordo con un aspetto della presente invenzione, la prima pluralit? 3 di nanofibre e/o la seconda pluralit? 4 di nanofibre presenta una densit? di maglia tale da definire una pluralit? di cavit? quantistiche.
Si osserva che ai fini della presente descrizione con il termine densit? di maglia si fa riferimento nello specifico alla densit? di nanofibre presenti nella superficie dello strato che esse compongono e conseguentemente tanto maggiore ? la densit? di maglia tanto minore sar? lo spazio presente tra nanofibre o gruppi di nanofibre adiacenti (e quindi tanto minori saranno le dimensioni della cavit? quantistica delimitata).
Alternativamente od addizionalmente la rectenna comprende una terza pluralit? di nanofibre (non illustrata nelle figure allegate) che definisce uno strato di cattura presentando una densit? di maglia tale da definire una pluralit? di cavit? quantistiche.
Tale terza pluralit? di nanofibre pu? essere realizzata mediante gli stessi processi (elettrofilatura in particolare) e utilizzando gli stessi materiali sopra delineati che permettono la produzione della prima e della seconda 3, 4 pluralit? di nanofibre.
Indipendentemente dalla specifica pluralit? di nanofibre che le definisce ciascuna cavit? quantistica ? adatta e configurata per trattenere un atomo allo stato fondamentale o un cluster di atomi allo stato fondamentale.
In questo modo, l?interazione con onde elettromagnetiche presentanti una specifica lunghezza d?onda pu? eccitare gli atomi intrappolati nelle rispettive cavit? quantistiche causandone la transizione ad un livello energetico eccitato dal quale possono successivamente decadere rilasciando un quanto di energia (mediante generazione di fotoni o fononi) che pu? essere captato ed assorbito dalla pluralit? di nanofibre che definisce le cavit? quantistiche o dalle pluralit? di nanofibre adiacenti che lo converte in un segnale di corrente elettrica che pu? essere a sua volta inviato ad utenza per essere utilizzato od immagazzinato.
In accordo con un aspetto della presente invenzione, la rectenna 1 risulta essere integrabile in un biosensore comprendente una pluralit? di strati di nanofibre opportunamente funzionalizzati per definire rispettivi componenti della rectenna 1 ed eventualmente anche componentistica configurata per la misurazione e/o l?analisi di uno o pi? parametri biometrici.
In questo contesto, lo strato di supporto 2 comprende almeno una porzione realizzata in materiale biocompatibile che permette l?applicazione della rectenna 1 in contatto diretto con il corpo di un paziente.
Vantaggiosamente, lo strato di supporto 2 pu? comprendere un materiale adesivo applicato in almeno una porzione di una sua faccia opposta a quella in cui ? applicata la prima pluralit? 3 di nanofibre.
La presenza del materiale adesivo permette di vincolare in una posizione stabile il dispositivo, mantenendolo in posizione durante il suo utilizzo, in particolare nel caso in cui esso venga applicato in diretto contatto con il corpo dell?utilizzatore, per esempio in corrispondenza delle mucose della bocca o della mucosa vaginale.
Sempre in questo contesto, la rectenna 1 pu? essere configurata per alimentare il segnale di corrente generato ad uno o pi? componenti del biosensore per permetterne il funzionamento.
In accordo con un ulteriore aspetto, la rectenna 1 comprende ulteriormente una base di orientamento 5 accoppiata all?elemento di supporto in modo tale da sorreggerlo.
In particolare, l?elemento di supporto 2 ? rotabilmente accoppiato alla base di orientamento 5 in modo tale da poter ruotare attorno ad un asse di rotazione giacente nel medesimo piano di giacitura dell?elemento di supporto 2 stesso.
In accordo con una possibile forma realizzativa, la base di supporto comprende un corpo piastriforme 5a dal quale si sviluppa in allontanamento un perno 5b rotante accoppiato a sua volta con l?elemento di supporto 2 che risulta quindi disposto perpendicolarmente al corpo piastriforme 5a.
Come verr? approfondito nel seguito, grazie alla presenza della base di orientamento 5 la rectenna risulta orientabile in una pluralit? di direzione in modo tale da ottimizzarne la sintonizzazione con un onda elettromagnetica.
Vantaggiosamente, la presente invenzione raggiunge gli scopi proposti superando gli inconvenienti lamentati nella tecnica nota mettendo a disposizione dell?utente una rectenna maggiormente versatile e in grado di convertire pi? energia rispetto ai dispositivi di tipo noto grazie in particolare alla maggiore superficie specifica che pu? interagire con l?onda elettromagnetica.
Forma altres? parte della presente invenzione un dispositivo 10 per la conversione di energia.
In particolare, il dispositivo 10 ? configurato per convertire l?energia trasportata da un?onda elettromagnetica in corrente continua che pu? essere utilizzata o immagazzinata.
Strutturalmente il dispositivo comprende almeno una rectenna 1 che presente una o pi? delle caratteristiche sopra descritte.
In particolare, l?almeno una rectenna 1 utilizzata all?interno del dispositivo 10 comprende la base di orientamento 5.
Il dispositivo 10 comprende ulteriormente dei mezzi di movimentazione associati all?almeno una rectenna 1 e configurati per ruotare l?elemento di supporto 2 modificando l?orientamento della prima e della seconda pluralit? 3, 4 di nanofibre.
In particolare, i mezzi di movimentazione possono comprendere degli attuatori piezoelettrici o un qualunque ulteriore componente in grado di promuovere la rapida e precisa rotazione dell?elemento di supporto 2 rispetto alla sua base di orientamento 5.
Il dispositivo 10 comprende ulteriormente un?unit? di controllo C configurata per misurare un segnale di corrente generato dall?almeno una rectenna 1 e per attivare i mezzi di movimentazione in funzione di tale segnale di corrente.
Operativamente, l?unit? di controllo misura l?intensit? del segnale di corrente generato dalla rectenna 1 quando quest?ultima riceve un?onda elettromagnetica e attiva i mezzi di movimentazione per cambiare l?orientazione della rectenna 1 fino a quando viene massimizzato il segnale di corrente generato.
In particolare, l?unit? di controllo C ? configurata per attivare i mezzi di movimentazione in modo tale da sintonizzare l?almeno una rectenna 1 con una specifica onda elettromagnetica.
In altre parole, l?unit? di controllo C determina l?orientamento dell?almeno una rectenna in modo tale che quest?ultima risulti sintonizzata con una specifica onda elettromagnetica massimizzando la conversione dell?energia ottenibile dall?interazione con tale onda elettromagnetica.
Tale accorgimento risulta particolarmente utile qualora la rectenna 1 sia utilizzata per captare un?onda elettromagnetica generata da una sorgente che varia la propria posizione nel tempo (per esempio una radiazione solare).
Infatti, in questo contesto la rectenna 1 ? in grado di cambiare il proprio orientamento seguendo i movimenti della sorgente della radiazione elettromagnetica mantenendo sempre massimizzata l?interazione e ottimizzando conseguentemente il processo di conversione.
Per ottimizzare ulteriormente il processo di conversione/generazione di energia il dispositivo 10 comprende una pluralit? di rectenne 1 preferibilmente disposte secondo uno schema a griglia definita in modo tale da minimizzare le possibili interferenze tra rectenne 1 adiacenti.
In questo contesto, l?unit? di controllo ? configurata per attivare i mezzi di movimentazione in modo tale da ruotare ciascuna rectenna 1 in maniera indipendente e autonoma.
In questo modo ? possibile sintonizzare ciascuna rectenna 1 o gruppo di rectenne 1 con rispettive onde elettromagnetiche massimizzando l?output complessivo generabile.
Questo aspetto risulta particolarmente rilevante nel caso in cui il dispositivo 10 comprenda un elevato numero di rectenne 1, nel qual caso rectenne 1 disposte in posizioni differenti potrebbero essere in grado di captare in maniera ottimale onde elettromagnetiche provenienti da direzioni differenti.
Ulteriormente, il dispositivo 10 pu? comprendere una batteria B connessa elettricamente con l?almeno una rectenna 1 e configurata per immagazzinare un?energia elettrica generata da tale rectenna 1.
Alternativamente o addizionalmente il dispositivo 10 ? connesso o connettibile (direttamente o per tramite della batteria) con un?utenza alimentabile dall?energia elettrica prodotta tramite l?almeno una rectenna.

Claims (13)

RIVENDICAZIONI
1. Rectenna per conversione di energia comprendente:
- un elemento di supporto (2) piastriforme;
- una prima pluralit? (3) di nanofibre elettricamente conduttive depositata su detto elemento di supporto (2) a definire un raddrizzatore di corrente della rectenna;
- una seconda pluralit? (4) di nanofibre elettricamente conduttive depositata sulla prima pluralit? (3) di nanofibre a definire un?antenna della rectenna configurata per captare un?onda elettromagnetica.
2. Rectenna secondo la rivendicazione 1, in cui la prima pluralit? (3) di nanofibre e la seconda pluralit? (4) di nanofibre sono realizzate mediante un processo di elettrofilatura.
3. Rectenna secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui la prima pluralit? (3) di nanofibre e/o la seconda pluralit? (4) di nanofibre comprende almeno due sottoinsiemi di nanofibre comprendente nanofibre allineate lungo rispettive direzioni di deposizione, preferibilmente la direzione di deposizione di ciascun sottoinsieme di nanofibre essendo inclinata rispetto alla direzione di deposizione di almeno un differente sottoinsieme di nanofibre.
4. Rectenna secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente una terza pluralit? di nanofibre, depositata sulla seconda pluralit? (4) di nanofibre, definente uno strato di cattura presentante una densit? di maglia tale da definire una pluralit? di cavit? quantistiche.
5. Rectenna secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la prima pluralit? (3) di nanofibre e/o la seconda pluralit? (4) di nanofibre presenta una densit? di maglia tale da definire una pluralit? di cavit? quantistiche.
6. Rectenna secondo la rivendicazione 4 o 5, in cui ciascuna cavit? quantistica ? atta a trattenere un atomo allo stato fondamentale.
7. Rectenna secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l?elemento di supporto (2) e/o la prima pluralit? (3) di nanofibre di nanofibre e/o la seconda pluralit? (4) di nanofibre sono realizzati con almeno un materiale selezionato tra: materiali conduttivi, preferibilmente policaprolattone (PCL, A-PCL), polianiline (PANI, PANI-3) e loro combinazioni, materiali strutturalmente conduttivi, preferibilmente nanotubi di carbonio, materiali semiconduttori, preferibilmente diossido di titanio (TiO2) e ossido di zinco (ZnO).
8. Rectenna secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente una base di orientamento (5), detto elemento di supporto (2) essendo rotabilmente accoppiato alla base di orientamento (5) per ruotare attorno ad un asse di rotazione giacente in detto elemento di supporto (2) piastriforme.
9. Dispositivo per la conversione di energia comprendente:
- almeno una rectenna (1) secondo la rivendicazione 8;
- mezzi di movimentazione associati a detta almeno una rectenna (1) e configurati per ruotare l?elemento di supporto (2) modificando l?orientamento della prima e della seconda pluralit? (3, 4) di nanofibre; - un?unit? di controllo (C) configurata per misurare un segnale di corrente generato da detta almeno una rectenna (1) e per attivare i mezzi di movimentazione in funzione di detto segnale di corrente.
10. Dispositivo secondo la rivendicazione 9, in cui l?unit? di controllo (C) ? configurata per attivare i mezzi di movimentazione in modo tale da sintonizzare l?almeno una rectenna (1) con un?onda elettromagnetica.
11. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 9 a 10, comprendente una pluralit? di rectenne (1).
12. Dispositivo secondo la rivendicazione 11, in cui l?unit? di controllo (C) ? configurata per attivare i mezzi di movimentazione in modo tale da ruotare ciascuna rectenna (1) in maniera indipendente e autonoma.
13. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 9 a 12, comprende una batteria (B) elettricamente connessa con l?almeno una rectenna (1) e configurata per immagazzinare un?energia elettrica convertita da detta rectenna (1).
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