Modellazione di un bimorph piezoelettrico e sviluppo di un nodo sensoriale wireless alimentato tramite energy harvesting

The work presented aims to model, design and implement an energy harvesting system capable of generating electricity from environmental vibrations. Subject of the first part of the analysis is a piezoelectric bimorph; this particular transducer, composed of two layers of piezoceramic material, is fixed in a cantilever configuration, and it is dynamically bent due to vibrations. The resulting deformation ensures enough current to power an electronic circuit. An analytical model is proposed, that describes the dynamics of the mechanical system using an electrical duality. In particular the coupling of the variables is represented by an equivalent transformer. Voltage and power obtainable are investigated; focus is given to the influence of the electric load on the performance of the conversion process. In addition, in order to overcome the limitations related to the analytical study, a finite element model is provided, capable of simulating more accurately the behavior of the electromechanical system. Both models are validated by means of some experimental tests. Finally, as a completion of the discussion, a wireless sensor node prototype, powered by a bimorph, is realized. The advantage of being able to recover energy from the environment allows to obtain an autonomous device, suitable for structural health monitoring operations.

Il lavoro presentato si propone di modellare, progettare e realizzare un sistema di energy harvesting in grado di generare energia elettrica dalle vibrazioni presenti nell'ambiente. Oggetto della prima parte dell'analisi è un bimorph, un particolare trasduttore costituito da una lamina incastrata a sbalzo, composta da due layer di materiale piezoceramico. Quando è sottoposto a vibrazione, la deformazione risultante genera, per effetto piezoelettrico, una corrente sufficiente ad alimentare un circuito elettronico. Per descrivere questo fenomeno viene presentato un modello analitico: esso si serve di un'analogia elettrica per caratterizzare la dinamica del sistema. In particolare l'accoppiamento tra il dominio meccanico e quello elettrico viene rappresentato con un trasformatore equivalente. Sono quindi analizzate la tensione e la potenza ottenibili, mettendo in risalto l'influenza del carico elettrico sulle prestazioni di conversione. Per superare i limiti legati alla trattazione analitica, viene proposto un modello ad elementi finiti, capace di simulare in modo più accurato il comportamento del sistema elettromeccanico. Entrambi i modelli vengono poi validati attraverso una campagna di prove sperimentali. Infine, a compimento della trattazione, viene realizzato un prototipo di nodo sensoriale wireless alimentato da un bimorph. Il vantaggio di potere recuperare energia dall'ambiente permette di ottenere un dispositivo totalmente autonomo, adatto per operazioni di monitoraggio strutturale.