Piezoelectric energy harvesting from galloping instability : numerical model and experimental tests

The purpose of the present research is to realize a working prototype to be installed on freight trains for the power sustainability of a wireless sensor node required for structural diagnosis. The work deals with the modelling, designing and validating of a galloping piezoelectric energy harvester. Using the piezoelectric effect, this system is able to convert the energy from bending vibrations, induced by the galloping aerodynamic instability, into usable electric energy. Subject of the first part of the analysis is the development of a non-linear coupled distributed model that predicts the limit cycle oscillation of the device, together with the power output produced for different resistive load connected and for various wind speeds considered. A sensitivity analysis follows, in which the parameters of the galloping energy harvester are varied in order to evaluate the effects on the maximum power output and the minimum onset speed gathered. Based on the conclusions of this analysis, different prototypes are realized for the achievement of various objectives. Results of base excitation tests are then presented, which show good accuracy of the electromechanical model. An experimental procedure is set in order to identify an appropriate galloping force model from the wind tunnel experiments. The results are interpreted with respect to the hypothesis behind the model proposed, in particular with respect to the vortex shedding resonance.

Lo scopo del presente lavoro è di realizzare un prototipo di recupero energetico da montare a bordo di treni merci per finalità diagnostiche. La trattazione documenta il processo realizzativo a partire dallo sviluppo di un modello analitico, la sua analisi e la validazione. Tramite l’effetto piezoelettrico, il prototipo è studiato per convertire in energia elettrica l’energia meccanica delle vibrazioni indotte dall’instabilità aerodinamica del galoppo. Soggetto della prima parte della ricerca è lo sviluppo di un modello non-lineare che descrive l’accoppiamento elettromeccanico del sistema ed è in grado di predire i cicli limite delle oscillazioni del dispositivo, assieme alla potenza recuperata nelle possibili velocità di vento imposte e per diversi carichi resistivi connessi. Una analisi di sensibilità segue con lo scopo di mostrare quali parametri del modello producono una minore velocità minima della vena che produca l’instabilità e quali altri siano vantaggiosi per migliorare l’efficienza di conversione. Basandosi sulle conclusioni di questo studio è possibile determinare quali prototipi siano da realizzare per conseguire diversi obiettivi. Una serie di esperimenti di validazione viene infine presentata per provare la validità del modello sviluppato: il comportamento elettromeccanico viene valutato con prove ad eccitazione impressa alla base. Dalle prove in galleria del vento viene invece identificato un modello per descrivere la forza del galoppo. Un ulteriore commento ai risultati viene fornito in merito al fenomeno di interferenza con il distacco di vertici e per quanto riguarda la validità delle ipotesi adottate nella trattazione.