Experimental proof of concept of a piezoelectric-shape memory energy harvester

A thermal energy harvester using shape memory effect and piezoelectricity was designed, built and tested with the aim of an experimental proof of concept. The device employs the following mechanism: a shape memory alloy Ni-Ti is rigidly connected to a piezoelectric actuator in a globally zero displacement configuration. When subjected to temperature fluctuations, Ni-Ti tends to deform but - since it is constrained - this produces a stress variation, transmitted to piezoelectric element and finally converted into electrical charge as a consequence of direct piezoelectric effect. Results are very promising: a potential difference of 30.73 V and a current of 2.82 mA are detected; power is 44.46 mW, while harvested energy per cycle is 0.33 mJ. A good experimental characterization of both Ni-Ti and piezo, careful design choices especially in relation to heat transfer problem and stress propagation between the components are the key elements that make this device the best of its kind.

Un energy harvester (“raccoglitore di energia”) che sfrutta combinatamente lo shape memory effect (“effetto a memoria di forma”) e l´effetto piezoelettrico è stato progettato, realizzato e testato con lo scopo di una verifica sperimentale del concetto. Il principio di funzionamento è il seguente: una lega di Ni-Ti – materiale che manifesta lo shape memory effect – è rigidamente connessa a un attuatore piezoelettrico in una configurazione a spostamento complessivo nullo. Quando sottoposta a variazioni di temperatura la lega di Ni-Ti tende a deformarsi, tuttavia, dal momento che essa è vincolata con l´attuatore piezoelettrico in un assemblaggio a spostamento nullo, si ottiene una variazione dello stato di sforzo del materiale, trasmessa all´attuatore stesso. Quest´ultimo genera cariche elettriche quando sottoposto a una forza in conseguenza dell´effetto piezoelettrico diretto. I risultati sono molto promettenti: sono state rilevate una differenza di potenziale di 30.73 V e una corrente di 2.82 mA; conseguentemente, la potenza è di 44.46 mW e l´energia raccolta 0.33 mJ per ciclo. Elementi chiave che hanno contribuito al successo di questa verifica sperimentale sono stati la caratterizzazione del Ni-Ti e dell´attuatore precedentemente alla fase progettuale e uno studio molto accurato dei problemi di scambio termico e della trasmissione dello stato di sforzo, risultando in una conoscenza puntuale dei fenomeni in atto, in buone scelte progettuali e infine in un dispositivo che è il migliore nel suo genere in termine di risultati.