Low grade thermal energy harvesting using magnetocaloric materials
Conversion de la chaleur fatale de bas niveau en énergie électrique par effet magnétocalorique
Résumé
The main objective of my thesis is the design and development of a device suitable to recover, and scavenge, low grade heat to produce electrical energy and thus supply small autonomous systems (μW to mW). The developed generator converts energy in three steps. First of all, thermal energy is converted into magnetic energy through a thermodynamic cycle operated by a magnetocaloric material. This first conversion is closely linked to the second, conversion of magnetic energy into mechanical energy, because the displacement of the magnetocaloric material also controls the applied field and the heat exchanges with the reservoirs. It is the interweaving of these two cycles, thermodynamic and dynamic, which allows the system to self-oscillate. The mechanical energy of the pseudo-oscillating system is converted into electrical energy via piezoelectric elements. My experimental, theoretical and numerical works aimed to maximize the electrical energy recovered while ensuring the self-oscillation of the structure. All devices developed are able to self-oscillate for temperature difference of 35 °C while producing electrical energy. Our most efficient prototype has an energy of 10.6 μJ per cycle for a frequency of 0.41 Hz, i.e. a power of 4.2 μW (240 μW/cm3). This work, especially, focuses on the cycles associated with energy conversion.
Mes travaux de thèse visent à récupérer, grapiller, la chaleur fatale de bas à très bas niveau pour produire de l'énergie électrique et ainsi alimenter des petits systèmes autonomes (µW à mW). Le générateur développé convertit l'énergie en trois étapes. Tout d'abord l'énergie thermique est convertie en énergie magnétique au travers d'un cycle thermodynamique opéré à l'aide d'un matériau magnétocalorique. Cette première conversion est intimement liée à la seconde, conversion de l'énergie magnétique en énergie mécanique, car le déplacement du matériau magnétocalorique contrôle aussi le champ appliqué et les échanges thermiques avec les réservoirs. C'est l'imbrication de ces deux cycles, thermodynamique et dynamique, qui permet au système d'auto-osciller. L'énergie mécanique du système pseudo-oscillant est finalement convertie en énergie électrique via des éléments piézoélectriques. Mes travaux expérimentaux, théoriques et numériques ont cherché à maximiser l'énergie électrique récupérée tout en assurant l'auto-oscillation de la structure. Les dispositifs développés sont en mesure d'auto-osciller pour des écarts de température de 35 °C tout en produisant de l'énergie électrique. Notre prototype le plus performant présente une énergie de 10,6 μJ par cycle pour une fréquence de 0,41 Hz, soit une puissance de 4,2 μW (240 μW/cm3). Ces travaux mettent l'accent sur les cycles associés à la conversion d'énergie.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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