Microgenerazione di energia elettrica mediante oscillatori piezoelettrici bistabili

Introduzione Lo sviluppo e la produzione di dispositivi microscopici e a basso consumo ha avuto un notevole incremento negli ultimi dieci anni. Questo ne ha permesso una diffu- sione capillare e ha sollevato il problema, sempre più pressante, di come fornire loro energia poiché la durata di una batteria è limitata e la sua sostituzione presenta difficoltà di natura economica, logistica e ambientale. Una possibile soluzione al problema è garantita dall’approccio denominato ”energy harvesting” (letteralmente raccolta di energia) cioè la raccolta di energia dall’ambiente in cui questi micro di- spositivi si trovano. Nel caso di energia cinetica di tipo vibrazionale questa raccolta, o trasferimento di energia, generalmente avviene tramite sistemi dinamici risonanti; questo approccio è efficace solo nel caso in cui l’energia presenti dei picchi ad una o più frequenze ben determinate. Contrariamente, in presenza di un tipico rumore ambientale come può essere quello delle vibrazioni prodotte da un’automobile sul- l’asfalto, l’energia è ampiamente distribuita con prevalenza delle basse frequenze (< 1 KHz) senza avere un picco ben determinato. In questi casi, l’utilizzo di sistemi non lineari può produrre un forte aumento dell’energia trasferita; è stato dimostra- to ([1]) che l’utilizzo di un sistema bistabile, ottenuto ad esempio tramite un uso appropriato di magneti posizionati in modo da respingersi, può aumentare l’energia trasferita fino al 600%. In questo studio di ”energy harvesting” vibrazionale, il trasduttore preso in con- siderazione è costituito da un sistema oscillante di ceramica piezoelettrica; la scelta del meccanismo piezoelettrico è dovuta a due motivi: in primo luogo perché per lo- ro stessa natura i materiali piezoelettrici convertono l’energia meccanica in energia elettrica e in secondo luogo perché se confrontata con le altre tecniche disponibili per fare ”energy harvesting” è quella con la densità di energia maggiore ([2]). In questo lavoro di tesi sono riportati degli studi sia teorici che sperimentali su due tipologie di oscillatori: 1. Studi su oscillatori piezoelettrici macroscopici commerciali, al fine di valutare l’incremento dell’energia trasdotta che si ha sfruttando la bistabilità. 2. Studi su oscillatori piezoelettrici microscopici, con lo scopo di caratterizzar- li e capirne le potenzialità sia come microgeneratori sia come dispositivi di accumulo di energia cinetica. iii