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Microgenerazione di energia elettrica mediante oscillatori piezoelettrici bistabili

Informazioni tesi

  Autore: Riccardo Mincigrucci
  Tipo: Laurea liv.II (specialistica)
  Anno: 2010-11
  Università: Università degli Studi di Perugia
  Facoltà: Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali
  Corso: Fisica
  Relatore: Luca Gammaitoni
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 92

Nell'ambito del lavoro di tesi sono stati caratterizzati gli incrementi nella produzione di energia, in presenza di vibrazioni ambientali, di due trasduttori piezoelettrici commerciali quando la loro dinamica passa da un regime lineare a un regime non lineare. In questo studio sono stati inoltre analizzati due classi di dispositivi piezoelettrici microscopici al fine di valutarne le potenzialità come dispositivi-prototipo di accumulo di energia elettromeccanica e come generatori microscopici.

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Introduzione Lo sviluppo e la produzione di dispositivi microscopici e a basso consumo ha avuto un notevole incremento negli ultimi dieci anni. Questo ne ha permesso una diffu- sione capillare e ha sollevato il problema, sempre più pressante, di come fornire loro energia poiché la durata di una batteria è limitata e la sua sostituzione presenta difficoltà di natura economica, logistica e ambientale. Una possibile soluzione al problema è garantita dall’approccio denominato ”energy harvesting” (letteralmente raccolta di energia) cioè la raccolta di energia dall’ambiente in cui questi micro di- spositivi si trovano. Nel caso di energia cinetica di tipo vibrazionale questa raccolta, o trasferimento di energia, generalmente avviene tramite sistemi dinamici risonanti; questo approccio è efficace solo nel caso in cui l’energia presenti dei picchi ad una o più frequenze ben determinate. Contrariamente, in presenza di un tipico rumore ambientale come può essere quello delle vibrazioni prodotte da un’automobile sul- l’asfalto, l’energia è ampiamente distribuita con prevalenza delle basse frequenze (< 1 KHz) senza avere un picco ben determinato. In questi casi, l’utilizzo di sistemi non lineari può produrre un forte aumento dell’energia trasferita; è stato dimostra- to ([1]) che l’utilizzo di un sistema bistabile, ottenuto ad esempio tramite un uso appropriato di magneti posizionati in modo da respingersi, può aumentare l’energia trasferita fino al 600%. In questo studio di ”energy harvesting” vibrazionale, il trasduttore preso in con- siderazione è costituito da un sistema oscillante di ceramica piezoelettrica; la scelta del meccanismo piezoelettrico è dovuta a due motivi: in primo luogo perché per lo- ro stessa natura i materiali piezoelettrici convertono l’energia meccanica in energia elettrica e in secondo luogo perché se confrontata con le altre tecniche disponibili per fare ”energy harvesting” è quella con la densità di energia maggiore ([2]). In questo lavoro di tesi sono riportati degli studi sia teorici che sperimentali su due tipologie di oscillatori: 1. Studi su oscillatori piezoelettrici macroscopici commerciali, al fine di valutare l’incremento dell’energia trasdotta che si ha sfruttando la bistabilità. 2. Studi su oscillatori piezoelettrici microscopici, con lo scopo di caratterizzar- li e capirne le potenzialità sia come microgeneratori sia come dispositivi di accumulo di energia cinetica. iii

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Parole chiave

non-lineare
piezoelettrico
microgenerazione
nodi wireless
energy harvesting
bistabile
generatori microscopici

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