Progettazione, studio e ottimizzazione di un sistema galloping piezoelectric energy harvesting per alimentazione di un nodo sensoriale su un treno merci

The work developed aims to model, design and optimize a system of galloping wind energy harvesting, which is capable of generating electricity from vibrations induced by fluid-structure interaction. The subject of the first part of the study is the design of an energy recovery system consisting of a supporting wedged cantilever beam on which are applied two piezoelectric bimorph and a square section bluff body. When it is subjected to the wind action the deformation of the bimorph generates a potential difference usable for sensor nodes feeding because of the piezoelectric effect. An analytical model is implemented in order to realize this system: it is based on a continuum approach and an interaction is developed between mechanical, electrical and aerodynamic domains by the Hamilton equation. Therefore a sensitivity analysis is performed for the definition of the project optimum values, taking into account the constraints related to its mounting on a freight train. Then it proceeds with a prototype and numerical analysis of the system behaviour, paying particular attention to the model and to its electromechanical coupling constant. Finally experimental tests of mechanical, electrical and aerodynamics are designed to investigate the phenomena acting on the system and to validate the model.

Il lavoro sviluppato si propone di modellare, progettare e ottimizzare un sistema di galloping wind energy harvesting in grado di produrre energia elettrica dalle vibrazioni indotte dall’interazione fluido struttura. Oggetto della prima parte dello studio è la progettazione di un sistema di recupero energetico costituito da una trave portante incastrata a sbalzo sulla quale sono applicati due bimorph piezoelettrici ed un corpo tozzo a sezione quadrata. Quando è sottoposto all’azione del vento la deformazione dei bimorph genera, per effetto piezoelettrico, una differenza di potenziale utilizzabile per l’alimentazione di nodi sensoriali. Per realizzare questo sistema viene presentato un modello analitico modale: esso si basa su un approccio ai continui e, mediante l’equazione di Hamilton, sviluppa l’interazione tra i domini meccanico, elettrico e aerodinamico. Si esegue dunque un’analisi di sensibilità per la definizione dei valori ottimali di progetto, tenendo conto dei vincoli legati al montaggio del sistema su un treno merci. Si procede poi con una realizzazione del prototipo e l’analisi numerica del comportamento del sistema, prestando particolare attenzione al modello elettromeccanico e alla relativa costante di accoppiamento. Infine, a compimento della trattazione, si eseguono dei test sperimentali di vario tipo atti a investigare i fenomeni agenti sul sistema e a validare il modello.