Systèmes de récupération d'énergie vibratoire large bande - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2012

Wideband mechanical energy harvester

Systèmes de récupération d'énergie vibratoire large bande

Résumé

The first limit of vibration energy harvester's efficiency is the input mechanical energy. This energy is tightly related to the amplitude of the relative displacement obtained by the converter. In fact, harvesting vibrating energy requires converting the vibration into a relative displacement first before it can be translated into a useful electrical energy. This relative displacement is obtained by adding a seismic mass placed in suspension. The effect of the seismic mass becomes minimal especially for miniature structures. Thus, the input mechanical energy and then the electrical recovered power are reduced. To overcome this limitation, the effect of seismic mass inertia is amplified by using the resonance phenomenon. However, using resonance means that the system should be excited at its resonance frequency which is not known in advance and might change over time. This is the objective of this thesis, allowing vibration energy harvesters to maintain an optimal operation at resonance even if the vibration frequency changes. The work of this thesis is organized around three solutions: 4) Adjustment of the resonance frequency by applying an electric field in a piezoelectric material 5) Adjustment of the resonance frequency by adapting the electrical load coupled with the harvester 6) Amplification of the relative displacement at off resonance by actuating a synchronized rebound In the present work, modelling and optimization of both the frequency range of operation and the mechanical-electrical conversion were carried out. Three structures have been developed, tested and used to validate the three approaches. Finally, a very low power electronic has been developed for controlling, in real time, the resonant frequency and the extracted electrical energy in order to maintain an optimum quality factor.
Pour les systèmes de récupération d'énergie vibratoire développés jusqu'à aujourd'hui, ce n'est pas tant la transduction électromécanique qui limite l'énergie de sortie, mais plutôt l'énergie mécanique disponible en entrée. En effet, la vibration, avant de pouvoir être traduite en énergie électrique, doit être traduite en un déplacement relatif. Ce déplacement relatif est obtenu en rajoutant une masse sismique placée en suspension. L'effet d'inertie de cette masse sismique tend à être très réduit, notamment pour des structures miniatures, ce qui limite le travail mécanique récupérable et donc la puissance de sortie. Pour augmenter ce travail mécanique récupérable, il faut alors amplifier l'effet d'inertie de la masse sismique en utilisant un phénomène de résonance. Cependant, cet effet de résonance tend à rendre le système très sélectif vis-à-vis de la fréquence de vibration qui n'est pas forcément connue à l'avance ou qui peut varier dans le temps. C'est l'objectif de cette thèse, à savoir permettre aux systèmes de récupération d'énergie vibratoire de conserver un fonctionnement à la résonance même si la fréquence de vibration change. Les travaux de cette thèse s'articulent autour de trois solutions : 1) Ajustement de la fréquence de résonance par application d'un champ électrique dans un matériau piézoélectrique 2) Ajustement de la fréquence de résonance par adaptation de la charge électrique d'un matériau piézoélectrique 3) Amplification du mouvement vibratoire par technique de rebond synchronisé Une modélisation et optimisation à la fois de la plage de fréquence de fonctionnement et de la conversion mécano-électrique ont été réalisées. Trois structures ont été développées et testées et ont permis de valider chacune des trois approches. Enfin, une électronique très basse consommation a été mise au point pour asservir en temps réel la fréquence de résonance sur la fréquence de la source de vibration et optimiser le taux d'énergie électrique extraite du système afin de maintenir un facteur de qualité optimum.
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Dates et versions

tel-00778437 , version 1 (20-01-2013)
tel-00778437 , version 2 (11-10-2013)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00778437 , version 1

Citer

Bouhadjar Ahmed-Seddik. Systèmes de récupération d'énergie vibratoire large bande. Energie électrique. Université de Grenoble, 2012. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00778437v1⟩

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