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Tesi etd-02132017-103553


Thesis type
Tesi di laurea magistrale
Author
BRUNI, JACOPO
URN
etd-02132017-103553
Title
Studio di un energy scavenger specifico per il recupero dell'energia vibrazionale di una bicicletta
Struttura
INGEGNERIA CIVILE E INDUSTRIALE
Corso di studi
INGEGNERIA MECCANICA
Commissione
relatore Prof. Beghini, Marco
tutor Ing. Di Palo, Michelangelo
Parole chiave
  • energy harvesting
  • scavenger
  • harvester
  • vibrazioni
  • bicicletta
  • vibrations
  • bicycle
  • elettromagnetico
  • electromagnetic
Data inizio appello
01/03/2017;
Consultabilità
completa
Riassunto analitico
I dispositivi elettronici che possono equipaggiare una bicicletta sono svariati:<br><br>• ciclocomputers<br><br>• power meters<br><br>• luce<br><br>• antifurti con tracciamento GPS<br><br>• ecc...<br><br>Tutti quanti hanno in comune l’assorbimento di potenze dell’ordine di poche decine di mW, e pertanto possono prestarsi ad essere alimentati mediante la tecnologia dell’energy harvesting. Per quanto ne sanno gli autori di questo lavoro, nessun dispositivo per biciclette attualmente in commercio è autoalimentato da vibrazioni (esistono però alcune luci alimentate da piccoli pannelli solari), e gli studi condotti a riguardo sono pochi e poco approfonditi. Nello studio di un sistema di energy harvesting è fondamentale l&#39;ottimizzazione dei vari parametri in gioco al fine di ottenere dal sistema un output elettrico adeguato allo scopo prefisso, ed i valori che tali parametri possono assumere sono fortemente influenzati dai vincoli geometrici, tecnologici o di altra natura del caso specifico, pertando è necessario considerare le varie possibili soluzioni progettuali alla luce di quello che è il contesto dello studio.Nel presente lavoro è quindi stata svolta un’indagine sulle potenzialità dell’energy harvesting da vibrazioni nel caso specifico di recupero dell&#39;energia vibrazionale del telaio di una bicicletta durante il suo normale utilizzo, definendo dei vincoli geometrici/tecnologici realistici ai vari parametri del sistema.<br><br>Si è iniziato con un&#39;indagine preliminare su lavori precedenti riguardanti l&#39;energy harvesting da vibrazioni in generale, quindi su studi sull&#39;energy harvesting nel caso specifico di bicicletta. Si è quindi si progettato e realizzato un semplice ma valido sistema di acquisizione dati con Arduino ed un accelerometro di tipo M.E.M.S., grazie al quale si è effettuata una preliminare campagna di raccolta dati sulle vibrazioni dei telai di differenti tipi di biciclette, durante pedalata su asfalto liscio a differenti velocità. Si è analizzato il segnale raccolto in ognuno dei test mediante trasformata di Fourier e spettrogramma. <br><br>Dopo aver considerato le varie possibili soluzioni costruttive applicabili al caso in esame, si è deciso di esaminare come prima soluzione un generatore elettromagnetico lineare ad 1 gdl; se ne è realizzato ed implementato in Matlab e Simulink il modello matematico, ed i segnali raccolti con l’accelerometro durante ogni test sono quindi stati utilizzati (opportunamente convertiti) come input per il modello; in questo ci si è distinti dalla maggior parte dei lavori precedenti, nei quali si progettava il generatore considerando come input una vibrazione puramente sinusoidale. Ricorrendo ad un algoritmo genetico si è effettuata una ottimizzazione dei parametri del modello in termini di potenza elettrica media raccolta per ciascuno degli input di cui si disponeva, con lo scopo di capire quale fosse la massima potenza elettrica media estraibile caso per caso, con un harvester settato ad hoc. Si è ripetuta la procedura modellando un generatore lineare a 2 gdl, il quale a fronte della maggiore complessità costruttiva promette migliori performance in caso di vibrazioni di tipo random. Si sono confrontati i risultati (in termini di potenza ottenibile e prestazioni durante il funzionamento off design) con quelli del generatore ad 1 gdl. In tutti i casi si è adottata l&#39;ipotesi semplificativa di collegare ai capi del generatore un carico puramente resistivo: se questo è sicuramente limitante in una fase di progetto definitiva nella quale si consideri il sistema di harvesting nel suo complesso (generatore assieme all&#39;elettronica di power processing e la batteria tampone), in una fase di indagine più generale (quale è quella in esame) si ottengono invece utili risultati riguardo la massima potenza elettrica convogliabile sul carico; in caso di carico resistivo infatti si ha solo potenza attiva nel circuito. Si sono infine analizzati i risultati in termini di applicabilità dell’energy harvesting come fonte energetica alternativa alle batterie per i dispositivi che solitamente equipaggiano una bici. Il lavoro è stato concluso costruendo un prototipo di generatore lineare ad 1 gdl allo scopo di validare sperimentalmente il modello matematico e le procedure usate.Si sono infne indicati alcuni interessanti possibili sviluppi al presente lavoro.<br>
File