Come recuperare energia dalle vibrazioni

Come recuperare energia dalle vibrazioni: energy harvesting piezoelettrico. Lunedì 10 Aprile ore 16 e 30, Aula Me, DEI. Incontro con la ricerca, 3° appuntamento secondo semestre.

► L’OSPITE ◄
I nostri ospiti sono attualmente docenti presso l’Università degli Studi di Padova. Il professor Daniele Desideri tiene i corsi di teoria dei circuiti per la triennale di Ingegneria dell’Informazione e micro/nano dispositivi elettrici ed elettromagnetici per la Laurea Magistrale in Ingegneria dell’Energia Elettrica. Il professor Alberto Doria tiene i corsi di Meccanica applicata alle macchine e di Meccanica delle vibrazioni ed alcune delle sue principali aree di ricerca sono incentrate sulla biomeccanica del pilota e sullosviluppo di veicoli leggeri per la mobilità sostenibile. L’ingegner Federico Moro svolge attività didattica in corsi di Elettrotecnica, dove ricopre il ruolo di Ricercatore. I suoi interessi di ricerca riguardano principalmente l’elettromagnetismo computazionale, la compatibilità elettromagnetica, la modellazione multi-physics.

► L’EVENTO ◄

Quello dell’energy harvesting piezoelettrico è un fronte di ricerca relativamente recente che coinvolge scienziati di diverse estrazioni e competenze. In particolare, al Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Padova, il team che svolge attività di ricerca in questo campo è composto da esperti di ingegneria elettrica, meccanica, elettronica e dei materiali.

Interviene inizialmente il professor Alberto Doria, per introdurre gli aspetti fondamentali che riguardano la meccanica delle vibrazioni. Dopo aver fornito una definizione operativa di “vibrazione” (moto alternativo di piccola ampiezza), ci spiega l’importanza del concetto di “frequenza naturale di un sistema oscillante”: questa è la frequenza alla quale un sistema vibrante entra in risonanza, ossia assume la massima ampiezza di oscillazione.

Il fenomeno della risonanza è particolarmente evidente quando un sistema è soggetto ad una perturbazione esterna, sostenuta nel tempo, che induca una “vibrazione forzata” alla frequenza naturale del sistema stesso. E questo è proprio il caso di maggior interesse quando si parla di energy harvesting piezoelettrico: un harvester massimizza l’energia raccolta quando lavora in risonanza.

Lo spiega il professor Federico Moro nel suo intervento. L’idea che sta alla base di qualunque tecnologia di energy harvesting è quella di raccogliere tutta quell’energia “degradata”, liberamente disponibile nell’ambiente, che normalmente verrebbe completamente dispersa, in quanto non convertibile in lavoro utile con sistemi tradizionali. Una forma di energia di questo tipo è quella trasportata dalle vibrazioni: di intensità troppo ridotta per essere sfruttata utilmente nella quasi totalità delle applicazioni tradizionali, essa è tuttavia associata a fenomeni indesiderati (ad esempio il rumore) e, non di rado, anche distruttivi (specie nel campo delle costruzioni). L’energy harvesting piezoelettrico è pensato per raccogliere questa energia e destinarla ad utilizzi che richiedono piccolissime potenze (dell’ordine dei 10-9÷10-3 W), come accade ad esempio nell’ambito dell’elettronica e della sensoristica: l’idea è quella di sostituire totalmente o parzialmente le batterie per aumentare l’autonomia di tutta una serie di dispositivi che non possono essere permanentemente collegati ad una linea di alimentazione.

Per fare questo, si sfrutta la capacità di cui sono dotati certi materiali (ad esempio il quarzo), per la quale essi sono in grado di generare una tensione elettrica, se sottoposti ad una deformazione meccanica – e viceversa. Questi materiali possiedono una struttura cristallina simmetrica (simmetria assiale, non centrale) che in stato di quiete garantisce la neutralità elettrica; uno sforzo applicato esternamente induce una deformazione della cella cristallina, la quale si polarizza generando una differenza di potenziale (la polarità dipende dal tipo di sforzo – trazione o compressione).

La progettazione di un harvester piezoelettrico efficace passa per la scelta del materiale, per lo studio dell’orientazione ottimale dei cristalli ed infine per la realizzazione della tecnologia migliore per raccogliere le vibrazioni e convertirle. Ogni passaggio prevede un’accurata attività di modellizzazione numerica, nonché di simulazione delle risposte statiche, dinamiche ed elettriche del dispositivo che si vuole realizzare, per assicurarsi che esso vada poi a lavorare alla propria frequenza di risonanza. Questo consente di massimizzare l’energia raccolta.

Le tecnologie oggi in commercio sfruttano una struttura laminare, in cui due strati flessibili di piombo-zirconato di titanio (PZT) operano la conversione delle sollecitazioni in elettricità. Il PZT è un materiale dalle eccellenti proprietà piezoelettriche, ma presenta problemi di sostenibilità se utilizzato in larga scala, in quanto contiene piombo – elemento tossico per gli esseri viventi. Per questo motivo, l’Università di Padova sta studiando come sostituire il PZT con l’innocuo nitruro di alluminio (AlN), materiale dalle proprietà piezoelettriche pienamente soddisfacenti.

Il professor Daniele Desideri ci parla dell’attività del gruppo di ricerca. Dopo aver ultimato la delicata fase di modellizzazione, il team è attualmente impegnato ad ottimizzare il processo di realizzazione del prototipo di harvester che vogliono produrre. Gli ingegneri utilizzano un processo chiamato “magnetron-sputtering” per depositare – molecola per molecola – un film sottile di AlN su di una lamina di rame. L’efficienza di conversione del dispositivo dipende, infatti, dall’orientazione dei cristalli del nitruro di alluminio, che deve essere dunque perfettamente controllata in fase di formazione.

Il professor Doria ci illustra le potenziali applicazioni della tecnologia che stanno studiando. Si spazia dall’elettronica di consumo agli apparecchi biomedicali, dalla sensoristica ai circuiti integrati, fino alla generazione micro eolica o micro idrica. Un paio di esempi pratici presentati: lo zaino e le scarpe intelligenti, che sfruttano il moto del corpo umano per alimentare piccoli apparecchi elettronici; pneumatici intelligenti, all’interno dei quali sono montati dei sensori alimentati dall’impatto degli harvester con l’asfalto.

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