MIGLIORAMENTO DELL'EFFICIENZA DEI RECUPERATORI DI ENERGIA VIBRAZIONALE ATTRAVERSO NUOVI OSCILLATORI LINEARI E NON LINEARI

Exploiting the mechanical energy available in the environment can be addressed as a reliable option to remove or significantly reduce the need for batteries in low consumption devices. Harvesting energy from mechanical vibration sources, however, remains challenging, especially when the vibration input changes direction and frequency. Most existing designs rely on single-degree-of-freedom configurations, which are efficient only when the excitation direction remains constant, or the frequency is limited to a narrow bandwidth. When vibrations vary in direction or frequency, these devices experience a significant drop in performance. To overcome these limitations, this research proposes and investigates two different designs for each of the challenges addressed earlier. To address the varying excitation direction issue, a novel planar vibration energy harvester capable of omnidirectional operation was proposed. A spiral-shaped beam with a tip mass is designed to respond to vibrations in all directions within a horizontal plane. Analytical modeling and numerical simulations using commercial finite element software demonstrate that the spiral configuration allows equal bending natural frequencies. The beam was equipped with piezoelectric patches as the voltage generators. The moment distribution in the beam was investigated, which showed a variation in the location of the maximum moment. Thus, the idea of covering the whole beam with piezoelectric patches was proposed and investigated. Several experimental test setups were designed and manufactured using the FDM 3D printing method. The experimental results correlated well with the analytical and numerical outputs validating the mathematical and finite element modeling. Using the validated models, the spiral beam was compared with its equivalent classical straight beam. The results showed that the spiral can potentially generate more consistent power for various excitation directions. To address the varying excitation frequency issue, a novel nonlinear X-shaped mechanism was proposed. This had the effect of increasing the frequency response bandwidth of the energy harvester. In this case, due to the large vibration amplitude, an electromagnetic coupling was adopted. Analytical and numerical models were developed using commercial multi-body dynamic simulation software. Thanks to the specifically designed configuration of the linear springs, an adjustable nonlinearity feature allowed generating more consistent power for various excitation frequencies compared to the equivalent linear case. A test setup was manufactured and tested under various conditions, the results of which confirmed the analytical outputs. The results showed that the selected design is a promising solution for energy sources with low and variable frequency such as ocean waves.

Sfruttare l'energia meccanica disponibile nell'ambiente può essere considerata un'opzione affidabile per eliminare o ridurre significativamente la necessità di batterie nei dispositivi a basso consumo. Tuttavia, l'estrazione di energia da fonti di vibrazioni meccaniche rimane una sfida, soprattutto quando l'input di vibrazione cambia direzione e frequenza. La maggior parte dei progetti esistenti si basa su configurazioni a un grado di libertà, che sono efficienti solo quando la direzione di eccitazione rimane costante o la frequenza è limitata a una larghezza di banda ristretta. Quando le vibrazioni variano in direzione o frequenza, questi dispositivi subiscono un calo significativo delle prestazioni. Per superare queste limitazioni, questa ricerca propone e analizza due diversi progetti per ciascuna delle sfide affrontate in precedenza. Per affrontare il problema delle diverse direzioni di eccitazione, è stato proposto un nuovo recuperatore di energia da vibrazioni planari in grado di funzionare in modo omnidirezionale. Una trave a spirale con una massa in punta è progettata per rispondere alle vibrazioni in tutte le direzioni su un piano orizzontale. Modellazioni analitiche e simulazioni numeriche utilizzando software commerciali agli elementi finiti dimostrano che la configurazione a spirale consente di ottenere le prime due frequenze naturali di flessione uguali. La trave è stata dotata di dispositivi piezoelettrici utilizzati come generatori di tensione. È stata studiata la distribuzione del momento flettente nella trave, che ha mostrato una variazione nella posizione del momento massimo. Pertanto, è stata proposta e studiata l'idea di ricoprire l'intera trave con materiale piezoelettrico. Sono state progettate e realizzate diversei prototipi sperimentali utilizzando il metodo di stampa 3D FDM. I risultati sperimentali hanno mostrato una buona correlazione con i risultati analitici e numerici, convalidando la modellazione matematica e agli elementi finiti. Utilizzando i modelli convalidati, la trave a spirale è stata confrontata con la sua equivalente trave rettilinea classica. I risultati hanno mostrato che la trave a spirale può potenzialmente generare una potenza più costante per diverse direzioni di eccitazione. Per affrontare il problema della frequenza di eccitazione variabile, è stato proposto un nuovo meccanismo non lineare a costituito da quattro molle lineari oblique a forma di X. Ciò ha avuto l'effetto di aumentare la larghezza di banda della risposta in frequenza del recuperatore di energia. In questo caso, a causa dell'elevata ampiezza di vibrazione, è stato adottato un accoppiamento elettromagnetico. Sono stati sviluppati modelli analitici e numerici utilizzando un software commerciale di simulazione dinamica multi-corpo. Grazie alla configurazione appositamente progettata delle molle lineari, una caratteristica di non linearità regolabile ha permesso di generare una potenza più costante per diverse frequenze di eccitazione rispetto al caso lineare equivalente. È stato realizzato e testato un sistema di prova in diverse condizioni, i cui risultati hanno confermato i risultati analitici. I risultati hanno dimostrato che il progetto selezionato rappresenta una soluzione promettente per fonti energetiche a bassa frequenza e variabili, come le onde oceaniche.