Oscillatori piezoelettrici per la raccolta e conversione di energia da vibrazione

Piezoelectric oscillators are one the most widespread and investigated types of solutions for harvesting vibration energy. One of the main issues associated with them is the fact that they show high performances only in a very narrow frequency band. In this work, we evaluate the possibility to improve their efficiency by exploiting metamaterials and, to be more precise, metasurfaces property of elastic waves amplification. Several studies published in recent years show that an elastic surface wave can be slowed down and stopped by the interaction with an array made of increasing length vertical elements. This work shows that this also occurs in the case of a graded array of resonators excited according to their flexural modes: numerical analyses have shown how a resonator inserted in the array develops a three times higer voltage compared to the case of isolated resonator. The interaction between the wave and the array also generates the wave spatial separation according to its frequency components (rainbow effect). Therefore, by applying a layer of piezoelectric on each resonator, it is possible to extract power from a wide frequency band. Several analyses have been performed with the aim of reproducing the phenomenon at the MEMS scale and at low frequencies (< 200 Hz). The attempt to apply these two conditions together, as might be expected, led to a very sub-wavelength structure. It has been observed that this does not prevent each element from entering resonance regime at the correct frequency, but greatly reduces the positive effects given by the presence of the array.

Gli oscillatori piezoelettrici sono tra le tipologie più diffuse e studiate di oggetti per il recupero di energia da vibrazione. Una delle principali problematiche associate ad essi è il fatto di risultare performanti solo in una banda molto limitata di frequenze. Nel presente lavoro, si è valutata la possibilità di migliorarne l’efficienza sfruttando le capacità di amplificazione delle onde elastiche proprie dei metamateriali, e più precisamente, delle metasuperfici. Diversi studi pubblicati negli ultimi anni hanno mostrato come un’onda elastica di superficie venga rallentata e bloccata nell’interazione con un array di elementi verticali di lunghezza crescente. In questo elaborato è stato dimostrato che ciò si verifica anche nel caso di un array graduato di risonatori eccitati secondo i modi flessionali: analisi numeriche hanno mostrato come un risonatore inserito nell’array sviluppi un voltaggio triplo rispetto al caso di risonatore isolato. L’interazione dell’onda con l’array genera inoltre una separazione spaziale della stessa a seconda della frequenza (effetto rainbow). Applicando uno strato di piezoelettrico su ogni risonatore diventa dunque possibile estrarre potenza anche da un’ampia banda di frequenze. Sono state successivamente svolte diverse analisi con lo scopo di replicare il fenomeno alla scala dei MEMS e a basse frequenze (< 200 Hz). Il tentativo di applicare insieme queste due condizioni ha portato, come era possibile prevedere, ad una struttura ampiamente sotto-lunghezza d’onda. Si è osservato che ciò non impedisce a ciascun elemento di entrare in risonanza alla frequenza corretta, ma diminuisce parecchio gli effetti positivi dati dall’inserimento del risonatore nell’array.