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Nuovi modelli per dispositivi di raccolta dell'energia intelligenti

Gli scienziati finanziati dall'UE hanno sviluppato strumenti analitici e computazionali per studiare una nuova classe di dispositivi piezoelettrici per l'accumulo di energia rinnovabile.
Nuovi modelli per dispositivi di raccolta dell'energia intelligenti
L'obiettivo dell'energy harvesting (accumulo di energia) è quello di accumulare energia dall'ambiente per alimentare dispositivi elettrici, senza ricorrere all'impiego di un'alimentazione esterna. L'idea fondamentale relativa ai dispositivi intelligenti studiati nel progetto FSI-HARVEST (Numerical modelling of smart energy harvesting devices driven by flow-induced vibrations), finanziato dall'UE, era quella di invertire la tradizionale tendenza a evitare l'interazione potenzialmente pericolosa tra struttura e fluido circostante, sfruttando invece l'energia del flusso disponibile. In questo modo, le fluttuazioni potenzialmente dannose vengono sfruttate per fornire alimentazione indipendente ai piccoli dispositivi elettrici.

Possibili applicazioni includono sistemi microelettromeccanici, sensori di monitoraggio a distanza, o anche dispositivi medici in vivoche dipendono in misura minore dall'energia locale e richiedono uno sforzo di mantenimento inferiore.

Questa tecnologia di conversione dell'energia coinvolge l'interazione simultanea tra struttura e fluido circostante, carica elettrica accumulata nel materiale e circuito elettrico di controllo. Al fine di comprendere le proprietà osservabili di tali dispositivi futuri, e aumentarne la robustezza e le relative prestazioni, il progetto FSI-HARVEST ha sviluppato modelli matematici per il complesso sistema fisico e ha effettuato lo studio di tecniche numeriche specifiche, permettendo robuste analisi computazionali sistematiche.

Gli scienziati hanno usato il metodo dei residui pesati per la risoluzione delle equazioni differenziali. Le soluzioni approssimative sono state ottenute da una variante del metodo degli elementi finiti nello spazio e da uno schema di Galerkin discontinuo per l'evoluzione della soluzione nel tempo. Il modello matematico altamente non lineare viene risolto mediante il metodo Newton-Raphson applicato a tutti i settori fisici coinvolti.

L'analisi computazionale ha completato l'approccio ed è stata utilizzata per convalidare i modelli matematici. Gli scienziati hanno sviluppato un modello unico nel dominio della frequenza, il quale offre un'analisi olistica del circuito elettromeccanico, permettendo a un solo calcolo di stimare gli stati di funzionamento ottimale per uno specifico assetto di energy harvesting, riguardo alla potenza d'uscita generata. In generale, il team ha analizzato diverse configurazioni per testare i meccanismi di eccitazione strutturale e l'interazione con il fluido circostante.

Tali studi numerici del sistema hanno permesso al team del progetto FSI-HARVEST di determinare i metodi di progettazione ottimale in merito a questi raccoglitori intelligenti di energia, tenendo conto dell'alimentazione elettrica a diverse condizioni esterne.

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Argomenti

Life Sciences

Keywords

Energy harvesting, strumenti di calcolo, piezoelettrico, energie rinnovabili, FSI-HARVEST