ITTO20130301A1

ITTO20130301A1 - MULTIFREQUENCY VIBRATIONAL PIEZOELECTRIC HARVESTER DEVICE.

Info

Publication number: ITTO20130301A1
Application number: IT000301A
Authority: IT
Inventors: Nicola Amati; Roberto Bonin; Emanuele Pensavalle; Alessandro Rapisarda; Andrea Tonoli; Enrico Cesare Zenerino
Original assignee: Aviospace S R L; Torino Politecnico
Priority date: 2013-04-15
Filing date: 2013-04-15
Publication date: 2014-10-16

Description

â€œDISPOSITIVO HARVESTER PIEZOELETTRICO VIBRAZIONALE MULTIFREQUENZAâ€ `` HARVESTER PIEZOELECTRIC VIBRATIONAL MULTIFREQUENCY DEVICE ''

DESCRIZIONE DESCRIPTION

La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo harvester piezoelettrico vibrazionale multifrequenza. The present invention refers to a multifrequency vibrational piezoelectric harvester device.

Come noto, esistono dispositivi, anche noti come â€œenergy harvesterâ€ in grado di catturare energia da fonti esterne presenti nellâ€™ambiente circostante (energia solare, energia termica, energia cinetica da vibrazioni, ecc.) e trasformarla in energia elettrica sfruttabile, per esempio, da altri dispositivi o sistemi elettronici utilizzatori quali, per esempio, sensori e microsensori. Risulta quindi evidente come lâ€™ambiente rappresenti vantaggiosamente una abbondante fonte di energia, se confrontato con la quantitÃ di energia immagazzinabile nei comuni accumulatori come batterie, capacitori e simili. As is known, there are devices, also known as â € œenergy harvesterâ € capable of capturing energy from external sources present in the surrounding environment (solar energy, thermal energy, kinetic energy from vibrations, etc.) and transforming it into usable electrical energy, for example, by other electronic devices or systems such as, for example, sensors and microsensors. It is therefore evident that the environment advantageously represents an abundant source of energy, if compared with the quantity of energy that can be stored in common accumulators such as batteries, capacitors and the like.

In particolare, tra le varie fonti energetiche utilizzabili, le vibrazioni sono sfruttabili vantaggiosamente per la realizzazione di dispositivi harvester: infatti, quando un dispositivo Ã ̈ soggetto a vibrazioni, Ã ̈ possibile utilizzare una massa inerziale opportunamente collegata a un trasduttore elettrico per trasformare lâ€™energia cinetica in elettrica. Nel tempo sono stati quindi sviluppati dispositivi harvester dotati di sistemi meccanici lineari oscillanti in grado di trasformare lâ€™energia cinetica fornita dalle vibrazioni in energia elettrica mediante trasduttori capacitivi, induttivi o piezoelettrici. In particolare, il fenomeno fisico su cui si basano i dispositivi harvester a funzionamento piezoelettrico consiste nella generazione di una tensione elettrica in particolari materiali quando questi vengono sottoposti ad una sollecitazione meccanica (compressione, trazione, flessione, torsione) esterna. Lâ€™effetto Ã ̈ reversibile: infatti, se allo stesso materiale viene applicata una differenza di potenziale, questo si contrae o si dilata. In particular, among the various energy sources that can be used, vibrations can be advantageously exploited for the construction of harvester devices: in fact, when a device is subject to vibrations, it is possible to use an inertial mass suitably connected to an electric transducer to transform the ™ kinetic energy into electrical. Over time, harvester devices have therefore been developed equipped with oscillating linear mechanical systems capable of transforming the kinetic energy supplied by vibrations into electrical energy by means of capacitive, inductive or piezoelectric transducers. In particular, the physical phenomenon on which piezoelectric harvester devices are based consists in the generation of an electrical voltage in particular materials when these are subjected to external mechanical stress (compression, traction, bending, torsion). The effect is reversible: in fact, if a potential difference is applied to the same material, it contracts or expands.

Attualmente, gli oscillatori meccanici sono progettati affinchÃ© la loro frequenza di risonanza sia vicina alle frequenze dominanti tipiche delle vibrazioni meccaniche che caratterizzano il particolare contesto ambientale. In molti casi reali, perÃ², tali soluzioni mostrano unâ€™efficienza piuttosto bassa in quanto le frequenze caratteristiche delle vibrazioni meccaniche di solito coprono un intervallo molto ampio di frequenze. In particolare, le vibrazioni ambientali sono dovute a sorgenti fortemente eterogenee come, ad esempio, le vibrazioni indotte dal flusso fluidodinamico turbolento, il rumore sismico, le vibrazioni causate da motori a reazione o dal moto di veicoli su una superficie dal profilo casuale. La difficoltÃ nel concepire dispositivi harvester a banda larga risiede quindi nel fatto che per le suddette situazioni non Ã ̈ possibile definire una o piÃ¹ frequenze di risonanza caratteristiche del sistema poichÃ©, in relazione alle caratteristiche della vibrazione, si avranno invece un certo numero di picchi nella densitÃ spettrale di potenza della sollecitazione. In generale, Ã ̈ perÃ² possibile dimostrare che per sollecitazioni caratterizzate da densitÃ spettrali molto distribuite, la risposta di un oscillatore a banda larga risulta energeticamente piÃ¹ vantaggiosa se confrontata con quella di un oscillatore risonante a monofrequenza. Currently, mechanical oscillators are designed so that their resonance frequency is close to the dominant frequencies typical of the mechanical vibrations that characterize the particular environmental context. In many real cases, however, such solutions show a rather low efficiency as the characteristic frequencies of mechanical vibrations usually cover a very wide range of frequencies. In particular, environmental vibrations are due to highly heterogeneous sources such as, for example, vibrations induced by turbulent fluid flow, seismic noise, vibrations caused by jet engines or the motion of vehicles on a surface with a random profile. The difficulty in conceiving broadband harvester devices therefore lies in the fact that for the aforementioned situations it is not possible to define one or more resonance frequencies characteristic of the system since, in relation to the characteristics of the vibration, there will instead be a certain number of peaks. in the power spectral density of the stress. In general, however, it is possible to demonstrate that for stresses characterized by very distributed spectral densities, the response of a broadband oscillator is energetically more advantageous if compared with that of a single-frequency resonant oscillator.

Scopo quindi della presente invenzione Ã ̈ quello di risolvere i suddetti problemi della tecnica anteriore fornendo un dispositivo harvester piezoelettrico vibrazionale multifrequenza in grado di generare energia elettrica sfruttando mediante effetto piezoelettrico sollecitazioni vibrazionali caratterizzate da densitÃ spettrali molto distribuite, aumentando cosÃ¬ la gamma di applicazioni del dispositivo. The purpose of the present invention is therefore to solve the aforementioned problems of the prior art by providing a multi-frequency vibrational piezoelectric harvester device capable of generating electrical energy by exploiting vibrational stresses characterized by very distributed spectral densities by means of the piezoelectric effect, thus increasing the range of applications of the device.

Un altro scopo della presente invenzione Ã ̈ quello di fornire un dispositivo harvester piezoelettrico vibrazionale multifrequenza in grado di sfruttare una eccitazione vibrazionale a banda larga generando una potenza maggiore ed in modo piÃ¹ efficiente rispetto ai dispositivi della tecnica nota. Another object of the present invention is to provide a multifrequency vibrational piezoelectric harvester device capable of exploiting a broadband vibrational excitation generating a greater power and more efficiently than the devices of the prior art.

Inoltre, uno scopo della presente invenzione Ã ̈ quello di fornire un dispositivo harvester di dimensioni piÃ¹ compatte rispetto a quanto proposto dalla tecnica nota. Furthermore, an object of the present invention is to provide a harvester device of more compact dimensions than that proposed by the known art.

I suddetti ed altri scopi e vantaggi dellâ€™invenzione, quali risulteranno dal seguito della descrizione, vengono raggiunti con un dispositivo harvester come quello descritto nella rivendicazione 1. Forme di realizzazione preferite e varianti non banali della presente invenzione formano lâ€™oggetto delle rivendicazioni dipendenti. The above and other objects and advantages of the invention, as will emerge from the following description, are achieved with a harvester device such as that described in claim 1. Preferred embodiments and non-trivial variants of the present invention form the subject of the claims employees.

Resta inteso che tutte le rivendicazioni allegate formano parte integrante della presente descrizione. It is understood that all the attached claims form an integral part of the present description.

RisulterÃ immediatamente ovvio che si potranno apportare a quanto descritto innumerevoli varianti e modifiche (per esempio relative a forma, dimensioni, disposizioni e parti con funzionalitÃ equivalenti) senza discostarsi dal campo di protezione dell'invenzione come appare dalle rivendicazioni allegate. It will be immediately obvious that innumerable variations and modifications (for example relating to shape, dimensions, arrangements and parts with equivalent functionality) can be made to what has been described without departing from the field of protection of the invention as shown in the attached claims.

La presente invenzione verrÃ meglio descritta da alcune forme preferite di realizzazione, fornite a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali: The present invention will be better described by some preferred embodiments, provided by way of non-limiting example, with reference to the attached drawings, in which:

- la FIG. 1 mostra una vista in prospettiva dallâ€™alto di una realizzazione preferita del dispositivo harvester secondo la presente invenzione; e - FIG. 1 shows a top perspective view of a preferred embodiment of the harvester device according to the present invention; And

- la FIG. 2 mostra un grafico relativo ad una funzione di trasferimento del dispositivo harvester secondo la presente invenzione. - FIG. 2 shows a graph relating to a transfer function of the harvester device according to the present invention.

Facendo riferimento alla FIG. 1 Ã ̈ possibile notare che il dispositivo 1 harvester piezoelettrico vibrazionale multifrequenza secondo la presente invenzione comprende: Referring to FIG. 1 It is possible to note that the multifrequency vibrational piezoelectric harvester device 1 according to the present invention comprises:

- almeno una struttura di supporto 3 di collegamento con lâ€™ambiente esterno; - at least one support structure 3 for connection with the external environment;

- almeno una travetta oscillante principale 5 comprendente almeno un elemento ad effetto piezoelettrico atta a convertire lâ€™energia meccanica vibrazionale a cui Ã ̈ sottoposto il dispositivo 1 secondo la presente invenzione in energia elettrica. Per esempio, tale elemento ad effetto piezoelettrico Ã ̈ almeno una piastra 6 di materiale piezoelettrico disposta su almeno una sua superficie: preferibilmente, tale travetta oscillante principale 5 ha entrambe le sue superfici opposte dotate di tali piastre 6 di materiale piezoelettrico al fine di incrementare lâ€™energia elettrica prodotta; - at least one main oscillating beam 5 comprising at least one element with a piezoelectric effect suitable for converting the vibrational mechanical energy to which the device 1 according to the present invention is subjected into electrical energy. For example, this piezoelectric effect element is at least one plate 6 of piezoelectric material arranged on at least one of its surfaces: preferably, this main oscillating beam 5 has both its opposite surfaces equipped with such plates 6 of piezoelectric material in order to increase the € ™ electricity produced;

- almeno un amplificatore dinamico 2 disposto tra tale travetta oscillante principale 5 e tale struttura di supporto 3, tale amplificatore dinamico 2 essendo atto creare almeno due frequenze di risonanza, che delimitano lâ€™intervallo di frequenze in cui il dispositivo Ã ̈ efficace nella conversione dellâ€™energia vibrazionale, cooperando con tale travetta oscillante principale 3. - at least one dynamic amplifier 2 arranged between said main oscillating beam 5 and said support structure 3, said dynamic amplifier 2 being able to create at least two resonance frequencies, which delimit the frequency range in which the device is effective in converting of the vibrational energy, cooperating with this main oscillating bartack 3.

Preferibilmente, tale travetta oscillante principale 5 Ã ̈ posta in configurazione incastratolibero, avente quindi almeno una estremitÃ libera rispetto alla struttura di supporto 3 del dispositivo 1 secondo la presente invenzione. Preferably, this main oscillating bar 5 is placed in a free-fit configuration, therefore having at least one free end with respect to the support structure 3 of the device 1 according to the present invention.

Preferibilmente, la travetta oscillante principale 3 Ã ̈ realizzata in un materiale elastico (per esempio acciaio o alluminio). Preferably, the main oscillating bartack 3 is made of an elastic material (for example steel or aluminum).

Preferibilmente, la travetta oscillante principale 5 Ã ̈ dotata di almeno una prima massa sismica 7 posizionata in corrispondenza della estremitÃ libera della travetta 5 stessa, lo scopo di tale massa sismica 7 essendo quello di abbassare le frequenze naturali di oscillazione di tale travetta oscillante principale 5 e di diminuire lo smorzamento delle oscillazioni stesse. Preferably, the main oscillating beam 5 is equipped with at least a first seismic mass 7 positioned at the free end of the beam 5 itself, the purpose of this seismic mass 7 being that of lowering the natural oscillation frequencies of this main oscillating beam 5 and to decrease the damping of the oscillations themselves.

Come noto, infatti, un dispositivo harvester piezoelettrico, come quelli della tecnica anteriore, dotato solamente di un travetta oscillante presenta una ben determinata frequenza di oscillazione della prima forma modale: solitamente la forma modale successiva viene eccitata ad una frequenza di un ordine di grandezza superiore, rendendo quindi poco efficace lâ€™utilizzo della travetta quando le vibrazioni esterne presentano uno spettro in frequenza ampio ma limitato. Per superare questo limite, il dispositivo harvester 1 secondo la presente invenzione comprende quindi lâ€™amplificatore dinamico cooperante con la travetta oscillante principale 5 per creare almeno le due frequenze di eccitazione relativamente vicine. As is known, in fact, a piezoelectric harvester device, such as those of the prior art, equipped only with an oscillating bartack, has a well-defined oscillation frequency of the first modal form: usually the subsequent modal form is excited at a frequency of an order of magnitude higher , thus making the use of the bartack ineffective when external vibrations have a wide but limited frequency spectrum. To overcome this limit, the harvester device 1 according to the present invention therefore comprises the dynamic amplifier cooperating with the main oscillating bar 5 to create at least the two relatively close excitation frequencies.

Preferibilmente, tale amplificatore dinamico 2 Ã ̈ un sistema massa-molla-smorzatore comprendente almeno due travette oscillanti secondarie 4a, 4b, ciascuna delle quali comprendente almeno un elemento ad effetto piezoelettrico atti a convertire lâ€™energia meccanica vibrazionale a cui Ã ̈ sottoposto il dispositivo 1 secondo la presente invenzione in energia elettrica ed avente una prima estremitÃ connessa a tale struttura di supporto 3 ed una seconda estremitÃ opposta a tale prima estremitÃ connessa ad almeno una seconda massa sismica 9, tale travetta oscillante principale 5 avente una estremitÃ opposta alla sua estremitÃ libera connessa a tale seconda massa sismica 9. Preferably, this dynamic amplifier 2 is a mass-spring-damper system comprising at least two secondary oscillating beams 4a, 4b, each of which comprising at least one element with a piezoelectric effect suitable for converting the vibrational mechanical energy to which the device 1 according to the present invention in electrical energy and having a first end connected to said support structure 3 and a second end opposite to said first end connected to at least a second seismic mass 9, said main oscillating beam 5 having an end opposite to its free end connected to this second seismic mass 9.

Anche in questo caso, per esempio, tale elemento ad effetto piezoelettrico Ã ̈ almeno una piastra 8 di materiale piezoelettrico disposta su almeno una superficie di una tale travetta oscillante secondaria 4a, 4b: preferibilmente, ciascuna di tali travette oscillanti secondarie 4a, 4b ha entrambe le sue superfici opposte dotate di tali piastre 8 di materiale piezoelettrico al fine di incrementare lâ€™energia elettrica prodotta: ovviamente, gli elementi piezoelettrici, ed in particolare le piastre 6, 8 di materiale piezoelettrico, possono essere collegati in serie o in parallelo a seconda che si voglia incrementare rispettivamente la tensione o la corrente in uscita dal dispositivo 1 secondo la presente invenzione. Also in this case, for example, this piezoelectric effect element is at least one plate 8 of piezoelectric material arranged on at least one surface of such a secondary oscillating bartack 4a, 4b: preferably, each of such secondary oscillating bartacks 4a, 4b has both its opposite surfaces equipped with such plates 8 of piezoelectric material in order to increase the electrical energy produced: obviously, the piezoelectric elements, and in particular the plates 6, 8 of piezoelectric material, can be connected in series or in parallel to depending on whether the voltage or current output from the device 1 according to the present invention is to be increased respectively.

Si noti quindi come, vantaggiosamente, il dispositivo 1 secondo la presente invenzione fornisce un aumento della potenza generata anche grazie allâ€™utilizzo di piÃ¹ elementi piezoelettrici, come per esempio le piastre piezoelettriche 6, 8, disposti sia sulla travetta oscillante principale 5 sia sulle travette oscillanti secondarie 4a, 4b dellâ€™amplificatore dinamico 2. It should therefore be noted that, advantageously, the device 1 according to the present invention provides an increase in the power generated also thanks to the use of several piezoelectric elements, such as for example the piezoelectric plates 6, 8, arranged both on the main oscillating beam 5 and on the secondary oscillating beams 4a, 4b of the dynamic amplifier 2.

Nella realizzazione preferita del dispositivo 1 secondo la presente invenzione, la travetta oscillante principale 5 Ã ̈ disposta esemplificativamente in posizione interposta tra le travette oscillanti secondarie 4a, 4b: ovviamente, pur mantenendo lo stesso principio di funzionamento sopra descritto sono possibili numerose configurazioni alternative senza pertanto fuoriuscire dallâ€™ambito di protezione della presente invenzione. Per esempio, la travetta oscillante principale potrebbe essere sdoppiata e disposta allâ€™esterno dellâ€™amplificatore dinamico: in questo caso, le due travette oscillanti principali potrebbero essere sintonizzate su frequenze diverse, in modo da ottenere una risposta complessiva con tre picchi di risonanza e quindi banda ulteriormente allargata. In the preferred embodiment of the device 1 according to the present invention, the main oscillating bartack 5 is arranged by way of example in an interposed position between the secondary oscillating bartacks 4a, 4b: obviously, while maintaining the same operating principle described above, numerous alternative configurations are possible without therefore fall outside the scope of protection of the present invention. For example, the main oscillating bar could be split and placed outside the dynamic amplifier: in this case, the two main oscillating beams could be tuned to different frequencies, in order to obtain an overall response with three resonance peaks and therefore a further widened band.

Unâ€™alternativa ulteriore puÃ² sfruttare una geometria con piÃ¹ piani di simmetria. A further alternative can take advantage of a geometry with multiple planes of symmetry.

Inoltre, si noti come la configurazione del dispositivo 1 secondo la presente invenzione sopra proposta si presti, non solo a realizzazioni con tecnologie convenzionali, ma anche alla miniaturizzazione tramite le tecnologie tipiche dellâ€™industria dei semiconduttori. Furthermore, it should be noted that the configuration of the device 1 according to the present invention proposed above lends itself not only to embodiments with conventional technologies, but also to miniaturization by means of the technologies typical of the semiconductor industry.

Esemplificativamente, il dispositivo 1 secondo la presente invenzione Ã ̈ stato sopra descritto prendendo in considerazione sistemi oscillanti a doppia frequenza. Un esempio di funzione di trasferimento di questo dispositivo 1 Ã ̈ quindi rappresentato in FIG. 2, in cui in entrata si ha lo spettro di accelerazione delle vibrazioni meccaniche applicate alla struttura di supporto 3 mentre in uscita la tensione prodotta. Sono evidenti i picchi di risonanza (a) e (b) generati dalla presenza dellâ€™amplificatore dinamico 2: questi due picchi si pongono ai lati del singolo picco di risonanza che sarebbe prodotto dalla sola travetta oscillante principale 5. In presenza dellâ€™amplificatore dinamico 2, questo singolo picco viene depresso mentre sorgono i due picchi (a) e (b). Un sistema che presenta un picco di eccitazione sdoppiato genera una potenza maggiore rispetto a quella di un sistema a picco singolo poichÃ© la potenza erogata Ã ̈ proporzionale allâ€™area sottesa alla curva descritta dalla funzione di trasferimento: tale area, a paritÃ di altezza, Ã ̈ maggiore in presenza di un picco sdoppiato, come ben visibile nella FIG. 2. By way of example, the device 1 according to the present invention has been described above taking into consideration dual frequency oscillating systems. An example of the transfer function of this device 1 is therefore represented in FIG. 2, in which the acceleration spectrum of the mechanical vibrations applied to the support structure 3 is at the input, while the voltage produced is at the output. The resonance peaks (a) and (b) generated by the presence of the dynamic amplifier 2 are evident: these two peaks are placed on the sides of the single resonance peak that would be produced by the main oscillating beam 5 alone. dynamic amplifier 2, this single peak is depressed as the two peaks (a) and (b) arise. A system that has a split excitation peak generates a greater power than that of a single peak system since the power delivered is proportional to the area under the curve described by the transfer function: this area, with the same height , Is greater in the presence of a doubled peak, as clearly visible in FIG. 2.

Si sono descritte alcune forme preferite di attuazione dellâ€™invenzione, ma naturalmente esse sono suscettibili di ulteriori modifiche e varianti nellâ€™ambito della medesima idea inventiva. In particolare, agli esperti nel ramo risulteranno immediatamente evidenti numerose varianti e modifiche, funzionalmente equivalenti alle precedenti, che ricadono nel campo di protezione dell'invenzione come evidenziato nelle rivendicazioni allegate. Some preferred embodiments of the invention have been described, but of course they are susceptible of further modifications and variations within the scope of the same inventive idea. In particular, numerous variants and modifications, functionally equivalent to the preceding ones, which fall within the scope of the invention will be immediately apparent to those skilled in the art, as highlighted in the attached claims.

Claims

CLAIMS 1. Device (1) multifrequency vibrational piezoelectric harvester characterized by the fact of comprising: - at least one support structure (3) for connection with the external environment; - at least one main oscillating beam (5) comprising at least one element having a piezoelectric effect; - at least one dynamic amplifier (2) arranged between said main oscillating beam (5) and said support structure (3), said dynamic amplifier (2) being able to create at least two resonance frequencies by cooperating with said main oscillating beam (3).

2. Device (1) according to claim 1, characterized in that said piezoelectric effect element is at least one plate (6) of piezoelectric material arranged on at least one surface of said main oscillating beam (5).

3. Device (1) according to the preceding claim, characterized in that said main oscillating beam (5) has both of its opposite surfaces equipped with said plates (6) of piezoelectric material.

4. Device (1) according to the preceding claim, characterized in that said main oscillating beam (5) is set in a free-fit configuration, having at least one free end with respect to said support structure (3).

5. Device (1) according to the preceding claim, characterized in that said main oscillating beam (5) is equipped with at least a first seismic mass (7) positioned in correspondence with said free end of said beam (5).

6. Device (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that said dynamic amplifier (2) is a mass-spring-damper system comprising at least two secondary oscillating beams (4a, 4b), each of said secondary oscillating beams (4a, 4b) comprising at least one element with a piezoelectric effect and having a first end connected to said support structure (3) and a second end opposite to said first end connected to at least a second seismic mass (9), said main oscillating beam (5) having an opposite end to said free end thereof connected to said second seismic mass (9).

7. Device (1) according to the preceding claim, characterized in that said element with piezoelectric effect is at least one plate (8) of piezoelectric material arranged on at least one surface of said secondary oscillating beam (4a, 4b).

8. Device (1) according to the preceding claim, characterized in that each of said secondary oscillating beams (4a, 4b) has both of its opposite surfaces equipped with said plates (8) of piezoelectric material.

Device (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that said main oscillating bartack (5) is arranged in an interposed position between said secondary oscillating bartacks (4a, 4b).

Device (1) according to any one of claims 1 to 6, characterized in that said main oscillating beam is split and arranged outside said dynamic amplifier.

Device (1) according to the preceding claim, characterized in that said secondary oscillating beams (4a, 4b) are tuned to different frequencies.