ITCT20130012A1

ITCT20130012A1 - Dispositivo elettromeccanico per il recupero di energia da vibrazioni in grado di accumulare cariche elettriche da tensioni sottosoglia,basato sul principio di autoadattamento della tensione ai capi di un induttore attraverso l'utilizzo di un interru

Info

Publication number: ITCT20130012A1
Application number: IT000012A
Authority: IT
Inventors: Bruno Ando; Salvatore Baglio; Fabio Giusa; Felice Maiorca; Carlo Trigona
Original assignee: Bruno Ando; Salvatore Baglio; Fabio Giusa; Felice Maiorca; Carlo Trigona
Priority date: 2013-06-04
Filing date: 2013-06-04
Publication date: 2014-04-27

Description

DESCRIZIONE

L’ oggetto di questa invenzione è un dispositivo per la raccolta di energia da vibrazioni ambientali. Esso consta di due stadi fondamentali: in primo luogo si ha uno stadio di trasformazione dell’ energia meccanica in energia elettrica, basato sull’ utilizzo di un trasduttore piezoelettrico; secondariamente uno stadio per il raddrizzamento della tensione alternata generata dal trasduttore, costituito da un circuito elettromeccanico.

Il limite più evidente di un classico sistema di raddrizzamento di tensione, come quello mostrato in Figura 1 è senz’ altro rappresentato dalla presenza dei diodi, che con la loro tensione di soglia di attivazione, restringono fortemente il campo delle possibili applicazioni. Nel caso in cui i valori di picco delle tensioni in ingresso sono infatti prossimi o addirittura al di sotto di tali soglie, 1’ utilizzo di una soluzione del genere è del tutto inappropriato.

Per questo motivo la ricerca scientifica si è adoperata nel tentativo di sviluppare sistemi in grado di innalzare le tensioni in ingresso, per poterle successivamente raddrizzare. Soluzioni come quella mostrata in Figura 2 denominata Parallel-SSHI (Synchronized Switch Harvesting on Inductor) si collocano proprio in questo contesto. Essa (come tante altre) si basa sulla corretta gestione dello switch (elettronico, quindi determinando un ulteriore dispendio di energia elettrica) che deve essere estremamente precisa e sincronizzata con 1’ ingresso che si presuppone quindi periodico. Evidentemente non è per niente scontato garantire queste ipotesi nel caso di applicazioni pratiche, in cui le più comuni sorgenti vibrazionali che sollecitano il trasduttore piezoelettrico non sono periodiche, piuttosto presentano andamento random e densità spettrale di potenza distribuita uniformemente su un range di frequenze DC-500 Hz all’ incirca.

E’ necessario quindi predisporre soluzioni in grado di operare con segnali vibrazionali aventi tali caratteristiche e in modo assolutamente non sincronizzato. In questo contesto si colloca il nuovo dispositivo, oggetto di questa invenzione. Come già ampiamente anticipato, il principio di trasduzione sfruttato si basa sull’ effetto piezoelettrico diretto, in base al quale quando un ingresso vibrazionale raggiunge il sistema, il trasduttore si deforma ed è possibile osservare una differenza di potenziale ai suoi capi. Per comprendere il principio che determina il corretto funzionamento del nuovo dispositivo si faccia riferimento alla Figura 3, in cui si possono notare il trasduttore piezoelettrico che funge da generatore della tensione in ingresso, l’ interruttore meccanico, l’ induttore L, il ponte a diodi a doppia semionda, il carico capacitivo C. L’ idea che sta alla base dell’ invenzione è la posizione dell’ interruttore e soprattutto la sua natura esclusivamente meccanica che, quando il suo stato è “aperto” , garantisce isolamento elettrico totale tra le due parti del circuito che esso separa.

Supponendo che la tensione piezoelettrica in ingresso si mantenga costantemente al di sotto della soglia di attivazione opposta dal ponte a diodi (ipotesi dettata dalle condizioni di lavoro caratterizzate da vibrazioni random a bassa intensità), ad un determinato istante tcl’ interruttore meccanico si chiude. In queste condizioni l’ equivalente elettrico del circuito è quello mostrato in Figura 4, poiché data l’ ampiezza della tensione piezoelettrica, tutta la corrente scorrerà sull’ induttore, mentre nessuna corrente potrà passare attraverso il ponte.

Ad un istante successivo talo switch si apre. A questo punto il circuito assume la forma mostrata in Figura 5. L’ induttore inoltre è attraversato da una corrente la cui intensità al medesimo istante, dall’ elettrotecnica, è data da:

Essendo vL(t) un segnale di alternato, il modulo della corrente all’ istante di apertura è dato dalla somma algebrica dei contributi (anche di segno opposto) all’ integrale durante tutta la fase di chiusura. Ciò, per rendere maggiormente efficiente il sistema, suggerisce una gestione dello switch con una dinamica molto più veloce rispetto alla dinamica della tensione piezoelettrica. Tale obiettivo può essere ottenuto dimensionando opportunamente in fase di progettazione la geometria e il materiale dell’ interruttore meccanico e il valore dell’ induttanza L (che determina, insieme alla capacità del piezoelettrico, un oscillatore LC parallelo).

Ad ogni modo la corrente su L, come noto, non può annullarsi istantaneamente (poiché il campo magnetico prodotto da L per effetto del flusso di corrente si oppone alle variazioni della corrente stessa) né tantomeno può tornare verso lo stadio di ingresso, dal momento che l’ apertura dell’ interruttore impedisce questa possibilità. Per questi motivi è costretta ad attraversare il ponte a diodi che a questo punto viene pilotato in corrente. L’ effetto della corrente imposta (in questo caso dall’ induttore L) è quello di determinare un innalzamento della tensione (sottoforma di un “picco” ) ad un livello sufficientemente alto da superare la barriera di potenziale e caricare il condensatore C con una corrente imposta.

Per realizzare un dispositivo come quello appena descritto occorre assemblare nel modo corretto i seguenti elementi:

• Un telaio di materiale isolante (elettricamente);

• Un trasduttore piezoelettrico;

• Un induttore;

• 4 diodi;

• Un condensatore;

• Una massa inerziale M;

• Una trave oscillante a sezione rettangolare di materiale conduttore (elettricamente);

• Due stopper di materiale conduttore (elettricamente);

L’ insieme di induttore, diodi e condensatore costituisce la circuiteria di Storage. Per quanto riguarda l’ interruttore meccanico, come rappresentato in Figura 6, un terminale (mobile rispetto al telaio) è costituito dalla trave oscillante connessa ad un estremo al telaio, all’ altro estremo alla massa inerziale; l’ altro terminale (fissato al telaio) è costituito dal cortocircuito dei due stopper posizionati ortogonalmente al piano su cui giace la trave. Il trasduttore piezoelettrico può essere collocato sulla trave, in prossimità dell’ incastro, dove si determina la massima deformazione della stessa. Il dispositivo complessivo è rappresentato nello schema in Figura 7. Le vibrazioni in ingresso, agenti sul telaio, fanno sì che la massa inerziale possa oscillare in direzione ortogonale rispetto al piano su cui giace la trave (direzione z rispetto al sistema di riferimento o-xyz solidale al telaio, indicato in Figura 6). Questo fenomeno, da un lato agevola la deformazione del trasduttore e la generazione di una tensione piezoelettrica, dall’ altro lato consente all’ interruttore meccanico di chiudersi e aprirsi alternativamente implementando il principio di funzionamento descritto. In Figura 8 è possibile apprezzare gli andamenti della tensione e della corrente sull’ induttore L in relazione agli stati dell’ interruttore (ON-OFF) e la variazione della tensione in uscita al condensatore C in corrispondenza dei picchi di tensione osservati su L.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. - Dispositivo elettromeccanico per il recupero di energia da vibrazioni in grado di accumulare cariche elettriche da tensioni sottosoglia, basato sul principio di auto-adattamento della tensione ai capi di un induttore attraverso l' utilizzo di un interruttore meccanico comprendente un telaio composto da materiale elettricamente isolante, atto a essere sottoposto a vibrazioni ambientali; un interruttore meccanico costituito da un terminale fisso rigidamente connesso al telaio e un terminale mobile; un trasduttore piezoelettrico che si deforma in presenza di vibrazioni ambientali esterne e genera una tensione alternata; una circuiteria di Storage avente una singola uscita elettrica che rappresenta l' uscita del dispositivo.
2. - Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il terminale mobile dell’ interruttore meccanico (terminale A, Figura 6) comprende una massa inerziale M e una trave flessibile fabbricata con materiale elettricamente conduttore giacente sul piano z=0 (in riferimento al sistema o-xyz indicato in Figura 6) a sezione rettangolare connessa con la massa inerziale ad un estremo e con il telaio all’ altro estremo. La massa inerziale in risposta a una vibrazione esterna oscilla lungo l’ asse z (rispetto al sistema di riferimento solidale al telaio), causando la deformazione della trave nella medesima direzione e la chiusura del contatto elettrico dell’ interruttore meccanico.
3. - Dispositivo secondo le rivendicazioni 1 e 2, caratterizzato dal fatto che il terminale fisso dell’ interruttore meccanico (terminale B, Figura 6) è costituito da due stopper fabbricati con materiale conduttore cortocircuitati e posti uno al di sopra e uno al di sotto rispetto al piano su cui giace la trave, in direzione ortogonale allo stesso piano (direzione z). La distanza trave-stopper deve permettere alla trave, durante la sua deformazione di raggiungere la posizione degli stopper causando degli urti che realizzano la chiusura dell’ interruttore meccanico, normalmente aperto.
4. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che, per massimizzare la deformazione del trasduttore piezoelettrico e quindi l’ ampiezza della tensione generata esso viene collocato in prossimità della regione di massima deformazione della trave, ove essa è vincolata al telaio.
5. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la circuiteria di Storage comprende quattro diodi in configurazione a ponte raddrizzatore di Graetz aventi un induttore in ingresso e un condensatore in uscita, così come mostrato in Figura 7.
6. Dispositivo secondo le precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che la particolare disposizione dei vari elementi circuitali e la natura esclusivamente meccanica dell’ interruttore permette di ottenere l’ innalzamento di tensione secondo quanto descritto e illustrato, e per gli scopi specificati.