• ENERGY HARVESTING
• MFC
• PIEZOELECTRIC
• PVDF

L'energy harvesting, ovvero il processo di cattura dell’energia dispersa nell’ambiente e la sua conversione in elettricità utilizzabile, sta ricevendo crescente attenzione da parte della comunità scientifica. Ciò è dovuto ai limiti delle fonti energetiche tradizionali, all’aumento della domanda di dispositivi mobili come le reti di sensori wireless e alla diffusione di dispositivi elettrici e meccanici a bassissimo consumo come i MEMS (Micro Electro Mechanical Systems).

Questo progetto di ricerca si è concentrato sullo sviluppo di prototipi di generatori piezoelettrici su scala bulk e wafer. In particolare, è stato analizzato un cantilever bimorfo in PZT (Piombo Zirconato Titanato) su scala bulk, dotato di una massa all’estremità libera, per convertire le vibrazioni ambientali a 100 Hz con accelerazioni superiori a 1g (dove 1g = 9,81 m/s²). Il progetto ottimale si basava sull’allineamento della frequenza di risonanza del dispositivo con la frequenza ambientale e sull’equilibrio tra la potenza generata e il fattore di sicurezza strutturale. Il generatore PZT risultante, con un volume effettivo di 0,0564 cm³ e un fattore di sicurezza di 10g, ha prodotto 6,21 V di picco, 257 μW o 4558 μW/cm³ con un carico resistivo ottimale di 75 kΩ, in presenza di un’accelerazione di 1g alla sua frequenza di risonanza di 97,6 Hz.

A causa della fragilità del PZT, sono stati analizzati materiali piezoelettrici alternativi come MFC (Macro Fiber Composite) e PVDF (Polivinilidenfluoruro), così come ambienti operativi differenti per applicazioni con vibrazioni di alta intensità.

Prima di passare alla produzione su scala wafer, si è studiato l’effetto degli strati intermedi sulle proprietà dei film sottili in PZT. Il dispositivo finale, basato su un wafer di silicio con una trave di circa 4,8 mm × 0,4 mm × 0,036 mm e una massa integrata di 1,36 mm × 0,94 mm × 0,456 mm, ha generato 160 mV di picco, 2,13 μW o 3272 μW/cm³ con un carico resistivo ottimale di 6 kΩ, in presenza di un’accelerazione di 2g alla frequenza di risonanza di 461,15 Hz.

Oltre alla progettazione e alla fabbricazione dei generatori, lo studio ha esplorato le applicazioni pratiche dell’energia generata. In particolare, l’energia prodotta è stata utilizzata per alimentare nodi sensori wireless a basso consumo, impiegati per monitorare parametri ambientali come temperatura, umidità e intensità luminosa. I risultati hanno confermato che i generatori piezoelettrici possono alimentare efficacemente tali dispositivi, dimostrando la validità del piezoelectric energy harvesting per reti di sensori wireless.

Infine, è stato valutato anche l’impatto ambientale del processo tramite un’analisi del ciclo di vita (LCA), che ha considerato i materiali utilizzati, l’energia richiesta nella produzione e le opzioni di smaltimento. I risultati della LCA indicano un impatto ambientale relativamente basso, rendendo i generatori piezoelettrici una scelta promettente e sostenibile per la raccolta di energia ambientale.