Energy Harvesting mediante materiali piezoelettrici

Questa tesi riassume il tema dell'Energy Harvesting, focalizzandosi sul recupero dell'energia meccanica mediante l'ausilio di materiali piezoelettrici. Vengono trattati i principi fisici basilari, utili alla comprensione del fenomeno fisico sfruttato al fine di ottenere un recupero energetico dalle vibrazioni presenti in ambienti civili e industriali (treni, traffico automobilistico, macchinari industriali etc.). Un capitolo intero è dedicato all'analisi agli elementi finiti, mostrando le differenze tra i materiali piezoelettrici classici, utilizzati a livello industriale, e le interessanti proprietà mostrate dai materiali piezoelettronici, oggetto di recente studio.

Nel Capitolo 1 vengono descritte le ragioni principali che hanno indotto la ricerca scientifica mondiale al concepimento e allo sviluppo dell’energy harvesting.
Una di queste, per esempio, è rappresentata dall'incapacità delle tecnologie chimiche e fisiche riguardanti le pile di dare una risposta positiva alla richiesta, sempre più insistente, posta dalla miniaturizzazione progressiva dei dispositivi elettronici.

Nel Capitolo 2 viene trattato il tema dell’energy harvesting, elencando e confrontando i principali fenomeni fisici sfruttati al fine di ottenere un recupero di energia pulita dall’ambiente circostante. Si dimostra inoltre, basandosi sui dati disponibili in letteratura, come il recupero di energia meccanica vibrazionale mediante materiali piezoelettrici sia il metodo che consente una produzione di energia maggiore. Si introduce in seguito lo schema che caratterizza, prescindendo dalla fonte energetica utilizzata, qualsiasi sistema adatto al recupero di energia. Ogni sistema è costituito da tre dispositivi differenti: un “harvester”, cioè il dispositivo sede del fenomeno fisico sfruttato, un circuito elettronico di potenza adibito al controllo e alla massimizzazione dell’energia raccolta e infine un dispositivo di accumulo che consenta un immagazzinamento duraturo dell’energia raccolta.

Nel Capitolo 3 vengono introdotti i principi fisici alla base dell’effetto piezoelettrico e in seguito le grandezze più significative ad esso associate: le equazioni accoppiate elettromeccaniche, il coefficiente di accoppiamento elettromeccanico e l’entalpia piezoelettrica. Per una maggiore comprensione delle equazioni accoppiate elettromeccaniche vengono riportati dei cenni di geometria e struttura cristallina, di meccanica del continuo ed elettrostatica. Viene inoltre trattata l’analisi delle perdite piezoelettriche, meccaniche ed elettriche in regime sinusoidale mediante il modello isteretico.

Nel Capitolo 4 vengono introdotte le principali configurazioni geometriche utilizzate ai fini dell’energy harvesting e in seguito descritti i circuiti elettronici di potenza maggiormente utilizzati, tra i quali si contraddistingue la tecnica non lineare SSH, in grado di incrementare il rendimento fino al 900%.

Nel Capitolo 5 viene introdotto l’effetto piezotronico, insieme ai principali fondamenti fisici necessari alla comprensione dello stesso. Dopo un breve cenno di fisica dello stato solido si passa alla descrizione del funzionamento di un piezotransistor e successivamente alla descrizione dettagliata delle proprietà chimico fisiche del ZnO, materiale avente le proprietà più interessanti per un’ampia gamma di applicazioni, sopratutto per quelle ancora in via di sviluppo.

Nel Capitolo 6 viene curata la simulazione agli elementi finiti. Tale simulazione ha lo scopo di mostrare il comportamento, per geometrie differenti, di un cilindro di ZnO e di PZT sottoposto a una pressione costante nel tempo. Per tale configurazione vengono calcolati i valori di tensione e deformazione al variare della pressione e della geometria. I risultati mostrano come l’ossido di zinco rappresenti la controparte bio-compatibile del PZT. Quest’ultimo possiede delle proprietà piezoelettriche migliori ma è biologicamente incompatibile oltre a presentare problemi legati allo smaltimento dello stesso. La seconda parte della simulazione si concentra sull’analisi dell’effetto piezotronico: viene calcolata la caratteristica tensione corrente, al variare della forza di compressione, di un nanowire di ZnO. Vengono inoltre riportati i calcoli dei fenomeni “secondari” che solitamente, in letteratura, vengono trascurati nel modello utilizzato per il calcolo della caratteristica tensione corrente. L’analisi effettuata riguarda essenzialmente l’influenza prodotta da tre fenomeni di natura termica: la piroelettricità, la dissipazione per effetto joule e conseguente riscaldamento e infine dilatazione termica. Dai valori di temperatura calcolati, si evince il fatto che tali fenomeni non siano trascurabili. Tutti i risultati ottenuti nel capitolo dedicato alla simulazione F.E.M suggeriscono come il tener conto di tutti i fenomeni fisici possa portare a un’analisi più accurata del fenomeno, che consenta di rivelare nuove interessanti proprietà ad oggi sconosciute.