B) Teoria e sperimentazioni sul piezoelettrico

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B) Teoria e sperimentazioni sul piezoelettrico
Premio Impresa Ambiente
PNEUMATICI INTELLIGENTI CON IL PIEZOELETTRICO
NEPI GREEN POWER – Civitella del Tronto (Te)
Introduzione – L’idea
L’idea è nata a scuola, in un pomeriggio del Maggio 2012 durante la terza lezione del corso “Le tecnologie
sostenibili per il nostro futuro” organizzato nelle ore pomeridiane extracurriculare dal mio professore di
Elettrotecnica Almerindo Capuani nell’Istituto Tecnico Industriale “Emilio Alessandrini” di Teramo.
Il corso era sperimentale e prevedeva la presenza volontaria di studenti delle classi quinte di quattro
specializzazioni: Chimica, Meccanica, Elettrotecnica ed Elettronica ed i rispettivi professori. Eravamo
presenti 13 studenti ripartiti in 5 per la Meccanica, 4 per la Chimica e 4 per Elettrotecnica ed Elettronica.
Io ero nell’ultimo gruppo ed avevo chiesto al mio professore (Capuani) di poter fare una ricerca sul
piezoelettrico che mi aveva colpito durante una lezione in cui eravamo solo tre presenti e lui ci aveva
illustrato le energie sconosciute che avevano avuto sviluppo grazie alle nanotecnologie.
Avevo già fatto molte ricerche su internet e stavo ordinando per temi la documentazione che comprendeva
anche foto e filmati.
L’obiettivo era di realizzare tre sistemi che producessero energia dalla compressione del piezoelettrico:
- Piattaforma dove l’energia è prodotta ballando o camminando,
- Una base da installare sui gradini delle scale (la nostra scuola ha tre piani e durante l’ingresso e
l’uscita succede il finimondo,
- Gradini o altre sistemi usati nelle palestre.
Nella lezione pomeridiana del 12 Aprile 2013 il professore Capuani aveva portato in aula l’Energy Bike la
bicicletta che produce energia trasformata dai suoi alunni della Classe Quinta che aveva vinto il premio
regionale ed era arrivato terzo al concorso PLAYENERGY indetto dall’ENEL. La lezione ci illustrava come
passare dall’idea al progetto e da questo alla realizzazione. Altro scopo della lezione era quello di
predisporre la procedura di sperimentazione per verificare la produzione di energia in diverse condizioni.
Eravamo nella fase iniziale di illustrazione del funzionamento della bicicletta e uno degli studenti stava
pedalando. Io ero al computer e stavo scaricando un video dal sito della Innovatch in cui si vedeva una
ruota di automobile che premeva sul piano del piezoelettrico producendo energia.
L’idea mi nacque nel momento che alzando lo sguardo vidi la gomma della bicicletta che leggermente
sgonfia di deformava sulla base di appoggio.
La ricerca e il possibile brevetto
Durante l’elaborazione dei documenti scaricati da internet non trovai nessun accenno alla mia idea e
successive ricerche mirate non portarono alcun risultato in merito.
Trovai alcune tesi universitarie (una dell’Università dell’Aquila) un’altra sull’applicazione del piezoelettrico
applicato alla bicicletta, ma nessun cenno alla mia idea.
Ne parlai con il professore durante la verifica sui lavori che stavamo elaborando che mi consigliò di di
approfondire le ricerche soprattutto sul principio fisico e di ricercare aziende produttrici.
Scoprii così di aver avuto un’intuizione geniale che poteva contribuire a risolvere molti dei problemi della
mobilità e renderla più sostenibile.
Capì che era importante quando mi disse di parlarne in famiglia e di chiedere a mio padre se volevo
studiarla e presentarla per un possibile brevetto.
Mio padre è esperto nella materia avendo già in deposito quattro brevetti e nell’occasione ho scoperto che
anche il mio professore ne ha alcuni.
Dopo un’attenta ricerca mio padre sul sito UIMP mi comunicò che non aveva trovato nessuna traccia della
mia idea e che dovevo decidere io se volevo elaborarla. Ormai non potevo rifiutare e mio padre e il
professor Capuani iniziarono subito la procedura di comunicazione iniziale per il deposito del brevetto.
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La concretezza dell’idea
L’idea è quella di inserire nella struttura dei pneumatici nastri piezoelettrici in modo che le vibrazioni, i
cambiamenti di pressione e gli urti agissero su tali sistemi producendo energia (vedere disegni allegati).
I calcoli di tale produzione effettuati sul sistema
prodotto dalla Phisik ci delusero: i valori di potenza erano dell’ordine di decine di mW (milliwatt). Eravamo
partiti dall’idea di poter alimentare l’auto elettrica!
Cambiammo obiettivo l’energia prodotta è già un segnale rilevatore delle variazioni di alcune
caratteristiche del pneumatico e può dare informazioni sulle condizioni della strada. E’, inoltre, energia
disponibile che adeguatamente accumulata può alimentare diversi sensori e i circuiti elettronici di
elaborazione e trasmissione dei segnali all’interno dell’auto.
Il pneumatico diventa in tal modo componente attivo dell’auto in movimento comunicando informazioni
istantanee su tanti dati e parametri delle gomme: pressione ottimale, temperatura, usura, comportamenti
in frenata e nelle diverse condizioni della strada.
L’idea si sviluppò e prese forma e concretezza durante le ricerche con l’inserimento dell’elettronica per
l’alimentazione dei sensori, l’accumulo dell’energia, la trasmissione wireless di tutti segnali all’interno
dell’auto o a sistemi di verifica esterna.
Lo sviluppo della nostra idea ha consentito di sviluppare un sistema ed una sperimentazione in laboratorio
(non ancora sui pneumatici) che consente di conoscere e monitorare le caratteristiche fisiche dei
pneumatici durante l’auto in corsa (vedere gli alleati).
Abbiamo anche pensato che il nostro sistema potrebbe essere integrato nelle tecnologie allo studio per le
auto che si guidano da sole.
La domanda di brevetto è stata presentata nella Camera di Commercio di Teramo.
Questa ricerca ha motivato anche mio padre che a 54 anni ha ripreso a studiare e frequenta insieme a me il
corso serale per prendere il diploma in Elettrotecnica e Automazione (mio secondo diploma dopo quello di
Elettronica e Telecomunicazioni).
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DALLE IDEE ALLA PROGETTAZIONE
Le ricerche effettuate hanno dimostrano che l’uso del piezoelettrico per produrre energia è una realtà che
si sta espandendo. Possiamo notare che la direzione su cui si sono orientati le prime applicazioni consistono
nella realizzazione di un sistema di base con forma parallelepipeda che contiene i trasduttori piezoelettrici
la cui deformazione è dovuta all’abbassamento della superfice superiore durante il passaggio di pedoni
(Pavagen e Powerleap) o al ballo ( ), di auto o di treni (Innowatech).
Nella documentazione reperita e nei video archiviati non è descritta la struttura interna, il tipo di
dispositivo e il circuito elettrico che permette il funzionamento.
Anche l’iniziale collaborazione con l’ing. Poli della Phisik Instruments non dà risposte a tale domande e le
difficoltà sono state quelle di individuare la struttura meccanica, i trasduttori, i componenti elettrici e
l’elettronica che ne permette il funzionamento con la conservazione dell’energia e del suo uso.
E’ bene premettere che molte applicazioni trovate non fanno uso del piezoelettrico ma di sistemi cinetici
che trasformazione in energia elettrica la movimentazione meccanica.
Le tre idee iniziali sono solo una diversa applicazione di tale tecnologia con sistemi simili modificati solo per
le applicazioni previste che richiedono diverse caratteristiche per utilizzare le deformazioni e le vibrazioni
che deve sostenere il materiale ceramico che costituisce la base del trasduttore piezoelettrico.
Ricordiamo che le nostre idee erano:
1) Realizzazione di un sistema piezo energy harvesting da inserire nelle scalinate delle scuole in
aggiunta a quelle già previste nei corridoi presenti nel video della Pavegen.
2) Realizzare un sistema a gradino per le palestre (anche a più passi o dimensioni) con un display per
l’indicazione dei parametri elettrici e fisici. Il gradino può essere modulare e prevedere agganci di
fissaggio che assicurino anche il collegamento elettrico e poter diventare una pista da ballo. Si
possono creare piattaforme energetiche di colori e dimensioni diverse utilizzabile in diverse
occasioni ed eventi di coinvolgimento dei cittadini (vedere il video presente su Pavegen in
occasione di un Natale). Ogni gradino può utilizzare una piccola parte dell’energia prodotta per
accendere led a diversi colori inseriti nella propria struttura per illuminazione, messaggi e avvisi.
Queste prime due idee sono applicabili con uno stesso gradino in cui sono modificate leggermente
alcune caratteristiche dei trasduttori e le dimensioni in altezza.
3) Sistema stradale posizionabile lungo le vie di percorrenza più trafficate e utilizzabili per alimentare
segnalazioni luminose di supporto ad eventuali sistemi fotovoltaici. Tale tecnologie potrebbero
anche essere utilizzata per segnalare velocità eccessive, gestire il traffico attraverso semafori
intelligenti ed alimentare sensori per il rilevamento dell’inquinamento ambientale. Devono
sopportare pesi rilevanti e devono avere costituzione molto più robusta.
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IDEA BREVETTO
L’idea era apparsa molto semplice: inserire trasduttori piezoelettrici nei pneumatici per produrre energia
elettrica da rotolamento, imperfezioni e le continue sollecitazioni dello stato delle strade.
Le difficoltà sono nate dalla constatazione di avere conoscenze inadeguate
a) sulla struttura dei pneumatici e sui processi e le fasi della loro costruzione o ricostruzione;
b) la disponibilità dei sistemi piezoelettrici e le ditte che li producono;
c) l’inserimento nella struttura del pneumatico;
d) il trasferimento e l’utilizzo dell’energia prodotta;
e) la brevettabilità dell’idea.
A) Produzione pneumatici
Si rimanda all’allegato A frutto di una rapida ricerca su internet in una lezione curriculare.
B) Sistemi piezoelettrici
La loro scoperta è dovuta alle ricerche svogliate che stavo facendo per il nuovo progetto sulla
domotica che il professore Capuani di Elettrotecnica ci aveva proposto per il secondo quadrimestre.
Nelle pagine seguenti il frutto del mio impegno, delle ricerche e delle sperimentazioni.
C) Inserimento nella struttura del pneumatico
L’abbiamo deciso insieme, considerando soprattutto la maggior trasferibilità delle deformazioni e
vibrazioni ai traduttori piezoelettrici. Abbiamo anche tenuto conto di non alterare la robustezza e
sicurezza del pneumatico che dovremo comunque valutare in seguito con una ditta costruttrice.
Sono orgoglioso di aver suggerito io dove inserire i trasduttori anche se i miei compagni hanno voluto
indicare e suggerire altre soluzioni.
D) Il trasferimento e l’utilizzo dell’energia prodotta
Qui il mio intervento è stato minimo, diciamo nullo. Non ho le conoscenze necessarie ma mi sono
impegnato e ho studiato il “condensatore” in Elettrotecnica, il componente che può accumulare
energia e svolge anche la funzione di rettificare i segnali provenienti dal trasduttore. Nell’allegato B la
piccola tesina da me preparata che mi ha permesso per la prima volta di avere la sufficienza in una
interrogazione in questa disciplina. Confesso che già non mi ricordo più le formule ma mi ricordo
benissimo cos’è un campo elettrostatico, cos’è un condensatore, come funziona con segnali continui e
alternati e quante funzioni può svolgere per la conservazione dell’energia e la modulazione dei segnali.
Sono orgoglioso anche di mio padre che in questo argomento ha dimostrato di saperne più del prof.
che gli ha lasciato completamente campo libero.
Non mi sono sentito sminuito, io avevo avuto l’idea e avevo fatto tutta la ricerca e proposto le
soluzioni … Mica posso fare tutto io!
E) la brevettabilità dell’idea
Non mi interessa. Papà e il prof. mi hanno detto dell’importanza e delle possibilità economiche che
possono aversi dalla mia intuizione, ma voglio lasciare a loro questo merito. Mio padre ha già quattro
brevetti depositati e ho visto i video delle trasmissioni alle quali è stato invitato per presentare le sue
invenzioni. E’ il più adatto.
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B) Teoria e sperimentazioni sul piezoelettrico
Un po’ di teoria (da Wikipedia)
http://it.wikipedia.org/wiki/Piezoelettricit%C3%A0
La piezoelettricità (la parola deriva dal greco πιέζειν, premere, comprimere) è la proprietà di alcuni cristalli
di generare una differenza di potenziale quando sono soggetti ad una deformazione meccanica. Tale effetto
è reversibile e si verifica su scale dell'ordine dei nanometri.
Il funzionamento di un cristallo piezoelettrico è abbastanza semplice: quando viene applicata una pressione
(o decompressione) esterna, si posizionano, sulle facce opposte, cariche di segno opposto. Il cristallo, così,
si comporta come un condensatore al quale è stata applicata una differenza di potenziale. Se le due facce
vengono collegate tramite un circuito esterno, viene quindi generata una corrente elettrica detta corrente
piezoelettrica. Al contrario, quando si applica una differenza di potenziale al cristallo, esso si espande o si
contrae.
Figura 1: contrazione del cristallo e produzione di energia elettrica (elaborazione da Wikipedia)
Prima esercitazione
Per capire bene il fenomeno il prof. portò nelle lezioni successive un buzzer acquistato su internet
collegato ad un led che si accendeva quando lo si picchiettava o si premeva.
Figura 2: buzzer piezoelettrico
Figura 3: accensione picchiettando o premendo
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Seconda sperimentazione
Si rimanda all’allegato 2 per l’analisi teorica e i concetti che sono stati applicati nella parte sperimentale
successiva (aiuto del Prof. Capuani e di mio padre).
E’ stata effettuata durante il pomeriggio del 24 Maggio dopo l’arrivo dei 10 dischetti piezoelettrici,
Nel laboratorio di Elettronica dove abbiamo potuto reperire i componenti disponibili:
 il ponte con 4 diodi 1N4148 per il raddrizzamento del segnale di tensione proveniente dal
dischetto,
 il condensatore elettrolitico da 10 uF per accumulo dell’energia e ulteriore correzione del segnale e
 il led come carico per la verifica della funzionalità,
 la breadbord per la costruzione del circuito e
 il tester per rilevare il segnale di tensione e la funzionalità come accumulatore del condensatore.
Figura 1: Schema del circuito per la sperimentazione
Foto 1: Circuito realizzato
PZ1:
disco piezoelettrico
D1, D2, D3, D4
Diodi
C1
Condensatore elettrolitico da
10uF
Q1
Led
Foto 2: prova funzionalità con accensione del led
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Nella prova di funzionalità il led si accendeva ad ogni pressione sul disco dischetto e grazie all’accumulo sul
condensatore dell’energia prodotta manteneva la sua luminosità tra una pressione e l’altra. Grazie a tale
accumulo si aveva anche l’effetto ottico che la luminosità aumentasse ad ogni pressione.
Abbiamo pertanto misurato la tensione ai capi del condensator e per verificare se era un effetto ottico o se
la tensione prodotta dal dischetto piezoelettrico nell’accumulo aumentasse anche il valore.
I puntali del tester sono stati posti ai capi del condensatore rispettando ovviamente la polarità.
Foto 3: il condensatore ha residuo di carica
Foto 4: ad ogni pressione aumenta la tensione
Foto 5-6: ad ogni pressione aumenta la tensione
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Foto7-8: ad ogni pressione aumenta la tensione
Il led si illumina utilizzando la carica del condensatore.
Il circuito potrebbe essere completato con una o più batterie ricaricabili che potranno essere caricate ed
erogare energia solo quando richiesto.
Figura 2: Aggiunta del diodo di blocco D5 per evitare che la carica dell’accumulatore torni al condensatore
quando è scarico e dell’accumulatore E per garantire energia su richiesta.
Per rendere il circuito un sistema completo utilizzabile da un utente è necessario prevedere le seguenti
aggiunte e modifiche:
1) display o indicatore anche luminoso che a richiesta fornisce la carica attuale dell’accumulatore,
2) ulteriore indicatore che segnala la possibilità d’uso,
3) interruttore interno che permette l’utilizzo solo ad una carica prefissata,
4) si possono aggiungere più trasduttori piezoelettrici e realizzare un primo carica batteria o fonte d
energia da inserire in vari dispositivi secondo le compressioni, movimenti e vibrazioni che si
vogliono utilizzare: calzature, zaini, selle, bretelle, apparecchiature e macchinari industriali, ecc.
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C) INSERIMENTO NELLA STRUTTURA DEL PNEUMATICO
E’ stata la fase più semplice e quella in cui l’ho fatta da protagonista. Ne sapevo più io sia del prof. che
di mio padre. La ricerca fatta (allegato __ I pneumatici) aveva dato i suoi frutti ed è stata la mia prima
soddisfazione da un impegno sullo studio.
Quanto segue è tutta farina del mio sacco, anche le elaborazioni grafiche nelle qual mi ha aiutato la mia
ragazza Sara.
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D) SENSORI E CIRCUITI DI ELABORAZIONE E TRASMISSIONE WI-FI
La sezione dei sensori e trasduttori è stata elaborata per la parte teorica quasi esclusivamente dal
professore e per la parte progettuale e pratica da mio padre.
Aggiungendo il recupero energetico a un sensore esistente alimentato a batteria, quest'ultima potrebbe
avere la stessa vita utile del prodotto, il che renderebbe la batteria più l'accumulatore di energia facili e
convenienti quanto un sistema dotato di cavi di alimentazione tradizionali.
Fig. 1 - Nodo sensore wireless alimentato a batteria o a sistemi energy harvester
La figura 1 mostra l'architettura di un tipico nodo sensore wireless (WSN) alimentato a batteria. La
batteria va sostituita secondo intervalli di manutenzione standard per garantire un corretto reporting
all'host.
Il costo della batteria nuova è insignificante rispetto al costo del tecnico che deve recarsi nel luogo in cui si
trova il nodo sensore wireless.
Le applicazioni sopra citate possono comportare l'uso di molti WSN che potrebbero richiedere un
intervento a tempo pieno del tecnico per garantire una manutenzione regolare di tutti i nodi sensori.
Il sistema WSN ideale è autonomo e non necessita di interventi di routine, con conseguente riduzione dei
costi di gestione.
I sistemi piezoelettrici producono energia elettrica se sollecitati da vibrazioni ed urti.
Il sistema di raccolta dell’energia dipende dalla fonte delle vibrazioni e dal loro tipo; in ogni caso l’energia
prodotta è variabile nel tempo e deve essere prima resa continua e quindi temporaneamente
immagazzinata (in condensatori) per poi renderla disponibile ai nodi wireless che trasmettono i segnali
raccolti dai sensori.
Nella figura 2 sono esempi di due di questi sistemi che all’ingresso hanno l’energia prodotta dalla fonte
piezoelettrica , la rettificano, la caricano e immagazzinano in un condensatore, regolano il valore di
tensione richiesto e la rendono disponibile ad un nodo wireless (WSN).
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Fig. 2 - Architetture di sistemi di recupero di energia da fonti piezoelettriche
a) accumulo di energia sull'uscita
b) accumulo di energia sull'ingresso
Quando si recupera energia da una fonte piezoelettrica, l'architetto del sistema può scegliere di
accumulare l'energia recuperata sull'uscita o sull'ingresso della soluzione di gestione dell'alimentazione
(figure 2a e 2b).
Raccogliendo energia sull'uscita del sistema si ottengono i seguenti vantaggi:
 l'accumulo di energia a bassa tensione consente di utilizzare componenti economici facilmente
reperibili,
 si possono usare super condensatori o batterie come accumulatori grazie alla bassa tensione,
 l'accumulatore può immagazzinare energia da vibrazioni inferiori perché l'uscita deve generare
solo una bassa tensione e
 il caricatore può utilizzare l'adattamento di impedenza modificando la corrente di carica per
ottimizzare l'energia proveniente dalla fonte piezoelettrica. Lo svantaggio principale
dell'accumulo di energia sull'uscita è che la bassa tensione comporta una grande capacità e le
correnti di dispersione possono diventare proibitive se non si selezionano condensatori adatti. Per
quanto riguarda l'accumulo di energia sull'ingresso, più condensatori ceramici in parallelo
garantiscono un maggiore accumulo con una corrente di dispersione minima. Raccogliendo
energia sull'ingresso del sistema di gestione dell'alimentazione si ottengono i seguenti vantaggi:
 accumulo di energia ad alta tensione che richiede una capacità inferiore per una determinata
quantità di energia a causa della dipendenza del quadrato della tensione dall'accumulo di energia
in un condensatore (E = ½ * C * V2),
 i condensatori ceramici ad alta tensione hanno correnti di dispersione molto basse e
 l'accumulo di energia sull'ingresso può essere combinato con super condensatori e/o batterie
sull'uscita per estendere al massimo la durata.
Lo svantaggio derivante dall'accumulo di energia sull'ingresso è che la fonte ha bisogno di più
energia da vibrazioni per raggiungere la maggiore tensione in ingresso desiderata e non esiste uno
stadio del caricatore da controllare per effettuare l'adattamento di impedenza che ottimizza
l'energia proveniente dalla fonte.
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Specifica di un dispositivo piezoelettrico per un nodo sensore wireless
Specificare un dispositivo piezoelettrico per un'applicazione con nodo sensore wireless comporta la
misurazione precisa delle frequenze di risonanza della fonte e dell'ampiezza dell'accelerazione a tali
frequenze.
Dispositivi piezoelettrici tipici come i prodotti della Mide Volture hanno una larghezza di banda di 3
Hertz al 50% di potenza. In altre parole, se la frequenza regolata del dispositivo si discosta di oltre 1,5 Hz
in una delle due direzioni, l'alimentazione in uscita del dispositivo sarà pari a metà della potenza del
trasduttore rispetto alla potenza alla risonanza di picco. Per questo motivo la maggior parte dei progetti
di recupero energetico per il settore delle vibrazioni ha bisogno di un progetto personalizzato per il
dispositivo piezoelettrico, regolato e ottimizzato per la fonte e il circuito di gestione dell'alimentazione.
La maggior parte dei produttori di dispositivi piezoelettrici dispone di strumenti usati per misurare le
caratteristiche della fonte ed è consigliabile coinvolgerli nelle prime fasi per poter capire la fonte e
trovare modi per ottimizzare il dispositivo piezoelettrico.
Il progettista di un sistema WSN che pensa di utilizzare trasduttori piezoelettrici standard deve porsi una
serie di domande. Di seguito alcune delle più comuni:
1. Qual è la fonte di vibrazioni?
a. Qual è la frequenza di vibrazione della fonte?
b. Qual è l'accelerazione minima, nominale e massima alla quale deve funzionare il WSN?
2. Che tensione utilizza il WSN?
3. Di quanta energia ha bisogno il WSN?
a. Configurazione iniziale della rete.
b. Misurazioni dei sensori e trasmissione standard
4. Con quale frequenza deve trasmettere il WSN (imposta la potenza media richiesta dal
trasduttore)?
5. Qual è la soglia di attivazione del dispositivo di gestione dell'alimentazione? (Imposta la tensione a
circuito aperto minima del dispositivo piezoelettrico alla frequenza di vibrazione della fonte e con
l'accelerazione minima da 1b)
6. Quanto spazio può essere riservato al montaggio dell'elemento piezoelettrico?
7. Che altezza viene assegnata all'elemento piezoelettrico e al relativo involucro?
8. Che tipo di montaggio richiede l'applicazione?
9. Quali sono le condizioni ambientali (umidità, temperatura, ecc.)?
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E) CONCLUSIONI
Il funzionamento del sistema piezoelettrico e la sua possibilità produrre l’energia necessaria sia come
segnale informativo sia come generatore è stato dimostrato in modo molto artigianale nel laboratorio
dell’istituto tecnico.
La sperimentazione dei circuiti elettronici per l’elaborazione dei segnali e la loro trasmissione wireless
è stata solo progettata e dimensionata individuando una delle ditte che li producono per le
nanotenologie.
Manca la sperimentazione del funzionamento diretto con l’inserimento dei nastri piezoelettrici
all’interno della struttura del pneumatico che potrà essere effettuata solo da una ditta costruttrice.
Il sistema nella sua interezza potrà essere sperimentato solo dalla collaborazione tra più aziende e con
un investimento finanziario adeguato.
Questa consapevolezza ci ha fatto decidere per la partecipazione al concorso.
[Mizio Nepi]
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