Estrazione di energia piezoelettrica da un cilindro sottoposto a vortice

Jul 08, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 6924 (2023) Citare questo articolo

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Viene proposto un nuovo concetto di utilizzo dell’energia cinetica delle correnti oceaniche/del vento mediante risonanza interna per affrontare la crescente domanda globale di energia generando energia pulita e sostenibile. In questo lavoro, un pendolo a gravità rotativo non lineare viene impiegato per eccitare in modo autoparametrico il cilindro montato elasticamente per un ampio intervallo di velocità del flusso. Questo concetto viene adottato per aumentare l'ampiezza di oscillazione del cilindro dovuta alla vibrazione indotta dal vortice (VIV) nella regione non sincronizzata per la raccolta di energia. A questo proposito, viene proposto un dispositivo di raccolta di energia basato su VIV che consiste in un cilindro con un pendolo attaccato e l'energia viene raccolta con trasduttori piezoelettrici montati sul fondo. Il cilindro subisce VIV quando è sottoposto al flusso di un fluido e questo eccita in modo autoparametrico il sistema accoppiato fluido-multicorpo cilindro-pendolo. Nella regione non sincronizzata, quando la frequenza di distacco del vortice diventa due volte la frequenza naturale del pendolo, si verifica una risonanza interna. Ciò aiuta a ottenere una maggiore ampiezza di oscillazione del cilindro che altrimenti non si verificherebbe. Questo studio si concentra sul sistema cilindro-pendolo a due gradi di libertà (2-DoF) in cui il cilindro è libero di mostrare vibrazioni indotte da vortici a flusso incrociato sottoposto al fluido. L'obiettivo di questo lavoro è studiare numericamente l'effetto di un pendolo a gravità rotativo non lineare (NRGP) sulle caratteristiche VIV e sull'efficienza piezoelettrica del sistema. Il modello numerico si basa sul modello dell'oscillatore di scia accoppiato con l'equazione costitutiva piezoelettrica. Viene inoltre studiata l'influenza del rapporto di frequenza, del rapporto di massa, del rapporto di smorzamento torsionale e del rapporto tra il diametro del cilindro e la lunghezza del pendolo del dispositivo NRGP sulle caratteristiche di risposta dovute al VIV. Un'analisi comparativa dettagliata in termini di tensione elettrica ed efficienza viene eseguita numericamente per flussi con un ampio intervallo di velocità ridotte per il cilindro con e senza NRGP. Viene inoltre riportato uno studio completo sulle implicazioni della risonanza interna tra il pendolo e un cilindro sottoposto a VIV sulla tensione elettrica generata.

Le vibrazioni indotte da vortici (VIV) sono uno dei fenomeni idrodinamici più comuni con implicazioni pratiche che possono essere osservate quando le strutture sono soggette al flusso di fluidi. VIV è stato studiato in dettaglio da numerosi ricercatori come Roshko1, Griffin e Ramberg2, Bearman3; in articoli di revisione di Williamson e Govardhan4, Sarpkaya5 e in libri di Belvins6, Sumer e Fredsøe7. Negli ultimi decenni, molti ricercatori si sono concentrati su diversi metodi per sfruttare l’energia idrocinetica utilizzando il movimento delle strutture indotto dai vortici e convertirlo in energia elettrica8,9. Il VIV dei componenti strutturali può essere convertito in energia elettrica utilizzando generatori elettrostatici10, elettromagnetici11 e piezoelettrici12 che possono essere utilizzati per alimentare sistemi microelettromeccanici o per caricare batterie in località remote. Queste fonti di generazione di energia su piccola scala sono utili per alimentare apparecchiature elettroniche vicine e dispositivi autoalimentati13. Va notato che, in un problema VIV reale, i sistemi elettromeccanici sono soggetti agli effetti del rumore ambientale, cioè fluttuazioni nel flusso in entrata o imperfezioni geometriche del sistema e possono influenzare significativamente il comportamento dinamico. Pertanto, per una raccolta efficiente dell'energia, vari ricercatori stanno studiando anche gli effetti di diversi rumori stocastici14,15.

Negli ultimi anni, ci sono numerosi contributi incentrati su modi efficienti di estrarre energia dal VIV utilizzando trasduttori piezoelettrici. Questi trasduttori hanno la capacità unica di convertire l'energia di deformazione in energia elettrica. Il modo più comune e più semplice per estrarre energia è collegare il materiale piezoelettrico alla struttura flessibile/montata elasticamente. Truitt16 ha ideato un raccoglitore di energia basato sul vento, fissando un materiale piezoelettrico di polivinilidene fluoruro (PVDF) su una membrana a forma di bandiera, e ha ottenuto una potenza massima di 1,5 mW. Song et al.17 hanno proposto un nuovo concetto di raccolta di energia utilizzando VIV e vibrazioni indotte dalla scia (WIV) di due cilindri tandem collegati da membrane piezoelettriche come cantilever e hanno registrato una potenza massima di 21 \(\mu\)W. Wang e Ko18 hanno raccolto energia da una pellicola piezoelettrica fissata sul canale di flusso del fluido. Le indagini numeriche sono state condotte da Mehmood et al.19 utilizzando equazioni di governo elettromeccaniche che accoppiano l'oscillazione di un cilindro montato elasticamente e fissato con materiale piezoelettrico. Hanno osservato che vi è un impatto significativo sulla larghezza e sull'ampiezza della sincronizzazione a causa della resistenza del carico. Franzini e Bunzel20 hanno effettuato indagini numeriche sulla potenza erogata dai cilindri montati su raccoglitori piezoelettrici sottoposti a VIV. Nel loro studio, sono state studiate due diverse configurazioni relative al VIV unidirezionale (flusso incrociato) e bidirezionale (flusso incrociato e in linea). In entrambe le configurazioni, la potenza erogata e l'efficienza erano più elevate quando la frequenza di distacco dei vortici era vicina alla frequenza strutturale, cioè nella regione di lock-in. È stata segnalata una potenza massima in uscita di 2,6 mW e 11 mW rispettivamente per il VIV unidirezionale e bidirezionale. Indagini sperimentali sono state condotte da Arionfard e Nishi21 per un cilindro imperniato sottoposto a VIV per il numero di Reynolds (Re) compreso tra 2880 e 22300 e hanno riportato una potenza massima di 60 mW. In un successivo studio sperimentale, Nishi et al.22 hanno proposto un modo efficiente di estrarre energia posizionando un cilindro secondario tra il generatore e il cilindro primario esposto a VIV, che aumentava la tensione elettrica (tensione) fino a 9 V. In un'indagine numerica , Soti et al.23 hanno riferito che attaccando il cilindro a un magnete si può ottenere una potenza adimensionale massima raccolta fino a 0,13 a \(Re = 150\). La raccolta di energia è stata studiata anche su un cilindro circolare vibrante a flusso incrociato con una molla di massa secondaria montata su di esso formando un sistema a due gradi di libertà (2-DoF) in Lu et al.24 Sono state osservate due regioni "lock-in" in questo sistema corrispondenti alle risonanze del primo e del secondo ordine del sistema. Analisi teoriche sono state eseguite nei lavori di Hu et al.25,26 su un sistema 2-DoF per valutare le capacità di raccolta di energia del galoppo, nonché la contemporanea eccitazione aeroelastica e di base. Questi studi sono stati condotti da una prospettiva aeroelastica affrontando rapporti di massa elevati. Tuttavia, gli effetti indotti dal flusso diventano più difficili da analizzare per rapporti di massa bassi, tipicamente osservati in ambienti marini e idrodinamici. Una discussione dettagliata riguardante i recenti sviluppi di vari dispositivi per la raccolta di energia piezoelettrica può essere trovata negli articoli di revisione di Elahi et al.27.