Design of a piezoelectric energy harvester exploiting snap-through buckling

In the past few decades energy harvesting solutions have gained increasing attention due to the abundance of natural inexhaustible energy sources, in particular the kinetic energy from ambient vibrations. This, combined with the recent breakthroughs in MEMS technology, makes the elimination of batteries for small electronic devices an ambitious but realistic goal. The energy to be scavenged from ambient vibrations is often distributed over a wide frequency spectrum, dominated by low-frequency components; nevertheless, linear harvesters generally have high resonance frequencies, especially at the MEMS-scale, and efficiently operate only in a narrow excitation frequency band. This disadvantageous frequency mismatch has led to the necessity of widening the operational frequency bandwidth of energy harvesters, for instance by means of frequency-up conversion procedures. The purpose of this work, after thoroughly reviewing the modelling of piezoelectric scavengers and the snap-through phenomenon, is proposing a design for a vibration piezoelectric energy harvesting device employing snap-through buckling for frequency-up conversion. Even though most of the energy harvesters are at the MEMS-scale, the one addressed herein has been designed with maximum dimensions of a few centimetres. The design has been performed by means of analytical investigations on simplified models and numerical analyses on a commercial finite element code. The efficiency of snap-through has been numerically proven in the functioning of the device and the mechanical and electrical outputs for a low-frequency external excitation have been assessed. Furthermore, one of the components of the device has been fabricated and the results are presented. Finally, experimental bending tests have been carried out on samples of the material of which the above-mentioned component was made, in order to assess its mechanical parameters, for which precise indications were unavailable.

Negli ultimi decenni numerosi ricercatori hanno rivolto sempre maggiormente l'attenzione verso il tema del recupero di energia (o energy harvesting). Il motivo è da ricercare nell'abbondanza di sorgenti naturali di energia praticamente inesauribili, in particolare l'energia cinetica derivante dalle vibrazioni ambientali. Questo, insieme con i recenti sviluppi nel campo della tecnologia dei microsistemi elettro-meccanici (o MEMS), rendono l'eliminazione delle batterie per l'alimentazione di alcuni dispositivi elettronici un obiettivo ambizioso ma realistico. L'energia da recupere derivante dalle vibrazioni ambientali è spesso distribuita su spettro di frequenza molto ampio, la quale è dominato da componenti a bassa frequenza; d'altra parte, gli harvester lineari hanno generalmente elevate frequenze di risonanza, specialmente alla scala MEMS, ed operano in maniera efficiente solamente su una banda decisamente ristretta, coincidente con la frequenza di risonanza stessa. Tale svantaggiosa discrepanza ha portato alla necessità di estendere la larghezza di banda operativa degli energy harvester, ad esempio mediante tecniche di conversione di frequenza. Lo scopo del presente lavoro di tesi è quello di proporre il design di un dispositivo per il recupero di energia vibrazionale che utilizza un meccanismo ad instabilità a scatto per la conversione di frequenza. Nonostante la maggior parte degli energy harvester piezoelettrici siano fabbricati e destinati all'utilizzo alla microscala, il presente lavoro si prefigge come obiettivo la progettazione di un energy harvester avente dimensioni massime di qualche centimetro. La progettazione è stata effettuata con l'ausilio di modelli analitici semplificati e analisi numeriche effettuate su un codice commerciale ad elementi finiti. A progettazione ultimata, l'efficacia dell'instabilità a scatto nel processo di conversione di frequenza è dimostrata numericamente mediante analisi statiche ed analisi dinamiche con eccitazione a bassa frequenza, e sono calcolati gli output meccanici ed elettrici. Inoltre, una delle componenti del dispositivo è stata fabbricata e sono stato state effettuate prove sperimentali su provini del materiale con il quale la predetta componente è stata realizzata per valutarne le proprietà meccaniche.