Stato dell’arte delle tecniche di energy harvesting

Vibration energy harvesting is that process with which energy in form of vibrations is harvested from the environment and then is transduced into electric energy. The electric energy is often used to power little electronic devices making them self sufficient. In this thesis the three most important techniques of energy harvesting are illustrated. These techniques are piezoelectric, electromagnetic and electrostatic energy harvesting. Of each of these techniques the working principle, the equations which describe the physical phenomena involved, the possible power which can be obtained, the frequencies at which they work, the maximum acceleration of the vibration to which these devices can be submitted and the efficacy of the analyzed techniques will be explained. Then a comparison between the principal energy harvesting methods is made. Also the magnetostrictive technique is explained. The benefits and disadvantages of the eventual use of an energy accumulator will be illustrated. Standard energy harvesting devices operate usually at one specific frequency, therefore an entire chapter is dedicated to the description of various techniques, mechanical and electrical, passive and active, which permit to widen the frequency range. At the end of this chapter a comparison between these techniques is made. An application study of the energy harvesting techniques is then made making comparisons between the power produced by energy harvesters and consumed by MEMS accelerometers (for which also maximum accelerations and frequencies are compared) and thermometers. Finally a view on the probable future developments of the energy harvesting techniques is given.

L’energy harvesting di vibrazioni è quel processo con il quale si preleva energia in forma di vibrazioni dall’ambiente circostante e la si trasduce in energia elettrica per alimentare piccoli dispositivi elettrici facendoli diventare autosufficienti. Vengono illustrate in questa tesi le principali tecniche di energy harvesting di vibrazioni, cioè le tecniche di energy harvesting piezoelettrico, elettromagnetico ed elettrostatico. Viene illustrata anche la tecnica magnetostrittiva. Delle tre principali tecniche vengono messi in evidenzia il principio di funzionamento, le equazioni che governano i fenomeni fisici impiegati nella conversione dell’energia, le potenze ottenibili, le frequenze, le accelerazioni massime ammissibili delle vibrazioni e l’efficacia delle tecniche analizzate. Segue poi un confronto tra le tre principali tecniche di energy harvesting. Viene anche trattato l’uso o meno di accumulatore energetico in dispositivi di energy harvesting e i vantaggi e svantaggi connessi. Dato che un sistema di energy harvesting “semplice” ha solitamente un impiego limitato ad una singola frequenza un intero capitolo è dedicato alle tecniche di ampliamento del range di frequenze con la spiegazione dei principi di funzionamento di diverse metodologie meccaniche ed elettriche, di tipo passivo ed attivo. A fine capitolo segue un confronto tra le varie tecniche. Viene riportato in seguito uno studio di applicazione delle tre tecniche principali di energy harvesting confrontando la potenza raccolta con quella necessaria all’alimentazione di accelerometri di tipo MEMS (per i quali vengono anche confrontate le accelerazioni e frequenze di funzionamento) e di termometri. Vengono infine riportate alcune considerazioni su probabili sviluppi futuri delle tecniche di energy harvesting.