Comportamento dinâmico não-linear em fenômenos de colheita de energia usando dispositivos baseados em materiais piezoelétricos em estruturas aporticadas

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Colheita de energia usando dispositivos baseados em materiais piezoelétrico

Recently, research on energy harvesting has increased substantially. Many researchers have concentrated their efforts to find the best configuration for these systems and to optimize their output power. In the process of energy harvesting, the electric energy is obtained by converting mechanics energy created by an environment vibration source by a transducer, for example, a thin piezoceramic film. That vibration source is, for example, a beam suffering some mechanic force able to generate a vibration in it, an oscillating beam is the best properly used example. Different mechanisms of electromechanical coupling have been developed to harvesting devices, and a particular interest has been given to the use of models that transform the mechanical vibration into electrical current using a piezoelectric element. In this paper we propose a model to energy harvesting from vibrations, from an oscillating beam, including non-linearities in the piezoelectric coupling and a non-ideal excitation in the material. From this model, it was developed a system to obtain some results about the harvested power by the material. It was demonstrated that the power captured was influenced by the effect of the nonlinearities of the piezoelectric coupling, modifying the system dynamic behavior

Análise de geradores piezelétricos acoplados com circuitos retificadores operando em regime caótico

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEIS

Luminescent solar concentrators: challenges for lanthanide-based organic-inorganic hybrid materials

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Projeto de controladores para a maximização de sistemas de captação de energia considerando excitação não ideal

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEIS

Characterization of grazing bifurcation in airfoils with control surface freeplay nonlinearity

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Análise numérica de uma geometria de coletor solar para sistemas de aquecimento de água

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Design of laminated piezocomposite shell transducers with arbitrary fiber orientation using topology optimization approach

Sensor and actuator based on laminated piezocomposite shells have shown increasing demand in the field of smart structures. The distribution of piezoelectric material within material layers affects the performance of these structures; therefore, its amount, shape, size, placement, and polarization should be simultaneously considered in an optimization problem. In addition, previous works suggest the concept of laminated piezocomposite structure that includes fiber-reinforced composite layer can increase the performance of these piezoelectric transducers; however, the design optimization of these devices has not been fully explored yet. Thus, this work aims the development of a methodology using topology optimization techniques for static design of laminated piezocomposite shell structures by considering the optimization of piezoelectric material and polarization distributions together with the optimization of the fiber angle of the composite orthotropic layers, which is free to assume different values along the same composite layer. The finite element model is based on the laminated piezoelectric shell theory, using the degenerate three-dimensional solid approach and first-order shell theory kinematics that accounts for the transverse shear deformation and rotary inertia effects. The topology optimization formulation is implemented by combining the piezoelectric material with penalization and polarization model and the discrete material optimization, where the design variables describe the amount of piezoelectric material and polarization sign at each finite element, with the fiber angles, respectively. Three different objective functions are formulated for the design of actuators, sensors, and energy harvesters. Results of laminated piezocomposite shell transducers are presented to illustrate the method. Copyright (C) 2012 John Wiley & Sons, Ltd.

Monitoraggio di un dispositivo a breve raggio: uno studio di fattibilità.

Il contesto generale nel quale è inserito tale elaborato di tesi è la tecnologia RFID; se ne fa una disamina completa, partendo dalla ricostruzione delle tappe storiche che hanno portato alla sua diffusione. Viene data particolare enfasi alle differenze esistenti tra le varie tipologie, alle frequenze a cui possono operare i dispositivi e agli standard legislativi vigenti. Vengono enunciati inoltre i costi dei dispositivi e le critiche verso la tecnologia. L'obiettivo della tesi è quello di valutare la possibilità di realizzare un meccanismo di monitoraggio a breve raggio di dispositivi dotati di rfid: per questo la visione che si da della tecnologia è il più completa possibile. La prerogativa di lunga durata richiesta dal sistema ha portato a valutare se potesse essere utile integrare un meccanismo di recupero energia; per questo si prosegue con una disamina dell'energy harvesting, fornendo dettagli su tutte le fonti da cui è possibile recuperare energia e casi pratici di meccanismi realizzati, sia che questi siano già presenti sul mercato, sia che siano solo risultati di ricerche e prototipi. Si conclude quindi il lavoro valutando le effettive possibilità di realizzazione del sistema, evidenziando le scelte consigliate per una migliore esecuzione.

Circuiti per la conversione di micro potenze da gradienti termici ambientali

In questa tesi vengono analizzati alcuni schemi circuitali di convertitori di micro potenze da generatori termoelettrici sottoposti a gradienti di temperatura limitati. I circuiti, basati su oscillatori step-up in grado di innescarsi con tensioni di alimentazione estremamente basse, sono stati analizzati dal punto di vista teorico e mediante successive simulazioni circuitali. Le potenze ottenibili con gradienti di temperatura inferiori a 10K risultano tipicamente comprese tra qualche uW e qualche decina di uW, con efficienze fino a circa il 40%.

Progetto di un sistema a microcontrollore per il controllo di uno shaker elettrodinamico

In questa tesi viene illustrato il progetto di un sistema di controllo per uno shaker elettrodinamico. L'architettura è basata su sistemi a microcontrollore Microchip PIC e implementa un controllo in retroazione al fine di ottenere una elevata precisione nell'ampiezza dell'oscillazione. Un prototipo del sistema è stato implementato con componenti commerciali. Vengono presentati i risultati del test funzionale dei sotto-circuiti realizzati.

Oscillatori elevatori di tensione per il recupero di micropotenze ambientali da sorgenti a radiofrequenza

Nel presente elaborato è trattato l'innesco di un sistema di recupero ambientale di energia da sorgenti a radiofrequenza, captate tramite rectenna, nell'ambito di un sistema completamente autonomo dal punto di vista energetico, quindi non dotato di batteria ricaricabile interna. Dopo un'analisi dei problemi da affrontare e delle possibili soluzioni tecniche per gestire le micropotenze restituite dalla rectenna, ci si concentra in modo preferenziale sul ruolo del condensatore posto sulla porta d'ingresso dell'oscillatore di Meissner, che è utilizzato come elevatore di tensione per attivare gli stadi successivi. Sfruttando le esperienze con lo stesso oscillatore pilotato da altri sensori di energy harvesting, è possibile determinare approssimativamente se il circuito si presta o meno all'utilizzo con le rectenne nei campi RF, suggerendo eventuali migliorie da apportare per facilitarne il funzionamento.

Progetto di un'interfaccia utente per la gestione e memorizzazione di forme d'onda mediante microcontrollore

L'energy harvesting è un processo in cui l'energia ambientale comunemente disponibile viene catturata mediante opportuni trasduttori e circuiti elettronici per essere convertita in energia elettrica utilizzabile. Il progetto descritto sarà una estensione ed integrazione di un sistema già esistente, per la riproduzione attraverso un sistema elettrodinamico vibrante (shaker), di vibrazioni acquisite dall'ambiente circostante in situazioni di riferimento tipiche (esempio le vibrazioni prodotte da un veicolo in movimento o un uomo in corsa), al fine di caratterizzare trasduttori piezoelettrici per studiarne il funzionamento, le caratteristiche e il loro comportamento. Lo scopo finale è quello di realizzare un sistema stand-alone che sia in grado di riprodurre e controllare in maniera affidabile le vibrazioni imposte da un sistema vibrante, al fine di realizzare un sistema di caratterizzazione per dispositivi di energy harvesting vibrazionale. In questo progetto, l’intera gestione del processo viene affidata ad un microcontrollore presente sulla scheda di controllo, il quale consente in tempo reale la visualizzazione delle forme d’onda oggetto di studio mediante un display grafico, l’elaborazione dei dati presenti nel sistema nonché la possibilità di caricare e salvare dei dati significativi sulla memoria del sistema durante le fasi di testing. Le caratteristiche implementate rendono il sistema facile da usare. Successivamente verranno descritte le specifiche tecniche necessariamente da rispettare per la realizzazione di un sistema che permetta di riprodurre e fornire dati attendibili, la struttura di visualizzazione grafica del sistema, la parte di condizionamento del segnale e i principi teorici del controllo ad anello chiuso.

Progetto elettromagnetico di antenne per tag eco-compatibili a banda ultra-larga

Questo lavoro si è occupato della ricerca e progettazione di un'antenna UWB per la realizzazione di un tag RFID e si colloca all'interno del progetto GRETA (GREen TAgs), finanziato dal MIUR. Le principali caratteristiche richieste al green tag sono: dimensioni complessive di massimo 4-5 cm, assenza di batterie e compatibilità con l'ambiente. L'eco-compatibilità viene garantita tramite la realizzazione dell'antenna al di sopra di un substrato di carta; i limiti derivanti dall'assenza di batterie vengono invece sopperiti tramite realizzazione di energy harvesting, al fine di raggiungere una completa autonomia energetica. Viene sfruttata la tecnica UWB per la comunicazione nella banda (3.1-4.8 GHz); l'energy harvesting si effettua invece a 868 MHz. Sono infine stati ricavati alcuni primi risultati relativi alla potenza rettificabile con la soluzione proposta, tramite realizzazione di un opportuno circuito rettificatore.