Piezoelectric vibration energy harvester actuated by seismic excitation

Micro Electro-Mechanical Systems (MEMS) technology is continuously developing and finds today numerous applications in many fields. In particular, in civil engineering it is becoming an increasingly relevant and in the future will play a determinant role for structural health monitoring: sensors are employed to control the solicitation state of civil structures. In recent years, to improve the versatility of these sensors, energy harvesters, which are similar devices based on MEMS technology, have been studied to be combined with them. The concept of autonomous sensors able to work with energy harvested from environment was born. Based on such fact, the idea of this dissertation was originated, it focuses on the feasibility of a specific harvester-sensor that could be employed in structural monitoring in active seismic zones. For this purpose, the dissertation is divided into two parts: the first one consists in seismic micro-energy harvesting assessment; while the second one focuses on how to exploit the harvested energy in practical applications. In the first part a complete uncoupled approach is employed to solve the problem: a cantilever piezoelectric harvester has been designed by applying the single degree freedom theory, at a later time its energy harvesting capacity under seismic motion is assessed through finite element (FE) analysis. Moreover, to better understand the cantilever dynamic behaviour, a parametric analysis has been performed and different design choices are introduced to enhance the model, and to increase the seismic energy harvesting performance. Once ensured the cantilever harvesting capacity, different ideas of exploiting this harvested energy are discussed. The first application field consists in data recording: the harvester is treated as a sensor and, when the seismic excitation overpasses a defined threshold, harvester exploits the energy scavenged to record this event. Another more important application is early warning: based on the same idea, instead of using for data recording, the harvested energy should provide with an alarm when the defined threshold is overpassed. It has been proved that the energy harvested from the seismic motion is sufficient for data recording, while is not for data transmission. This means that other design strategies should be introduced to provide sufficient energy.

La tecnologia basata su MEMS è in continuo sviluppo e trova la sua applicazione in molteplici ambiti. In particolare, nell'ingegneria civile essa svolge un ruolo determinante per il monitoraggio delle strutture: i cosiddetti sensori, infatti, vengono impiegati nel controllo dello stato di sollecitazioni nelle strutture civili. Negli ultimi anni, ai fini di migliorare la versatilità nell'utilizzo di questi sensori, gli energy harvester, un’altra applicazione della tecnologia dei MEMS, sono stati combinati con i MEMS. Nacque così il concetto di sensori autonomi, sensori in grado di raccogliere l'energia dall'ambiente. Essi costituiscono l'oggetto della presente tesi, che si occupa in particolare di valutare la fattibilità di un specifico harvester-sensor in grado di funzionare in maniera autonoma nel monitoraggio delle strutture in zone sismiche. La presente tesi è suddivisa in due parti: la prima riguarda la verifica della capacità di raccogliere l'energia dal movimento sismico; mentre la seconda consiste nel valutare le possibilità di sfruttare tale energia raccolta nelle applicazioni pratiche. Nella prima parte è stato utilizzato un approccio disaccoppiato per risolvere il problema: è stato progettato un cantilever piezoelectric harvester attraverso la teoria dell'oscillatore ad un grado di libertà; successivamente è stata verificata la capacità di raccogliere energia sotto l'azione del sisma, tramite l'analisi agli elementi finiti. Inoltre, per comprendere meglio il comportamento dinamico del cantilever, sono state condotte diverse analisi parametriche e introdotti vari accorgimenti di progettazione per migliorare il modello, ai fini di aumentare la prestazione nella raccolta di energia. Una volta accertata la capacità di raccogliere l'energia sismica, diverse idee di come sfruttare quest'ultima sono state discusse. Il primo campo di applicazione consiste nella registrazione dei dati effettuata dall'harvester, che funge da sensore. Quando la sollecitazione sismica supera un valore soglia, l'harvester sfrutta l'energia raccolta fino a quel momento per registrare tale evento. Un'altra più importante applicazione è il sistema di early warning, in base al quale l'harvester sfrutta l'energia raccolta per attivare un allarme quando una certa soglia è superata. È stato dimostrato che l'energia raccolta dai moti sismici è sufficiente per la registrazione dei dati, mentre lo stesso non si può affermare per la trasmissione. Ciò comporta l'introduzione di altre strategie di progettazione per avere energia sufficiente.