Comparison between different configurations of piezoelectric energy harvester from galloping instability

The purpose of this thesis is to compare two different configurations (longitudinal and transversal) of energy harvesting systems using piezoelectric patches, based on the vibrations induced by galloping aerodynamic instability. Through the piezoelectric effect, the prototype is studied to convert the electric energy from mechanical energy of the vibrations induced by galloping aerodynamic instability. Both energy harvesting configurations systems were designed using a numerical model and experimentally tested with wind tunnel tests. The first part of the work is focused on the development of a non-linear one degree of freedom model, which describes the electromechanical system, consisting of the deformable beam, where the piezoelectric patch is mounted, connected to the bluff body, and its interaction with the aerodynamic force. The model is able to calculate the amplitude of oscillation reached by the bluff body and the power recovered, in function of the wind speed and to the load resistance. In the second part of the research, the developed model is used to perform a sensitivity analysis to the main parameters of the system and for the design of the prototypes to be tested. The last part of the work shows the experimental results obtained, useful to validate the numerical model and to evaluate the obtainable performance, in term of the power recovered, for each prototype studied in function of wind speed. For longitudinal model the maximum power obtained at the velocity 6.14 m/s is 1.69 mW, with an efficiency, compared to the ideal power introduced by the wind, of 0.07%. Transversal model, with the same volume, recovers 7.1 mW at V = 7.92 m/s which it corresponds to an efficiency of 0.15%.

L’obiettivo di questo lavoro di tesi è il confronto tra due configurazioni diverse (longitudinale e trasversale) di sistemi a recupero di energia mediante lamine piezoelettriche, basati sulle vibrazioni indotte dall’instabilità aerodinamica da galoppo. Tramite l’effetto piezoelettrico, il prototipo è studiato per convertire in energia elettrica l’energia meccanica delle vibrazioni indotte dall’instabilità aerodinamica del galoppo. Le due configurazioni di sistemi energy harvesting sono state progettate mediante un modello numerico e testate sperimentalmente con prove in galleria del vento. La prima parte del lavoro è focalizzata sullo sviluppo di un modello non lineare a un grado di libertà, che descrive il sistema elettromeccanico, costituito dalla trave deformabile collegata al corpo tozzo sulla quale è montata la lamina piezoelettrica, e la sua interazione con la forza aerodinamica. Il modello è in grado di calcolare l’ampiezza di oscillazione raggiunta dal corpo tozzo e la potenza recuperata, in funzione della velocità del vento e della resistenza elettrica applicata. Nella seconda parte della ricerca, il modello sviluppato è utilizzato al fine di eseguire un’analisi di sensibilità ai principali parametri del sistema e per la progettazione dei prototipi da testare. L’ultima parte del lavoro mostra i risultati sperimentali ottenuti, utili sia per validare il modello numerico sia per valutare le prestazioni effettivamente ottenibili, in termini di potenza recuperata, dai diversi prototipi studiati al variare della velocità. Con il modello longitudinale, la massima potenza introdotta alla velocità di 6.14 m/s è 1.69 mW, corrispondente ad un’efficienza, rispetto alla potenza ideale introdotta dal vento, pari a 0.07%. Il modello in configurazione trasversale, a parità di volume, recupera invece 7.1 mW a V = 7.92 m/s che corrisponde al un’efficienza di 0.15%.