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Thèse Année : 2022

Study of triboelectric kinetic energy harvester with an asymmetric double variable capacitor implemented in a bennet doubler

Etude d’un convertisseur d’énergie mécanique par effet triboélectrique avec un double condensateur variable asymérique mis en œuvre dans un doubleur de bennet

Résumé

Energy harvesting is the process that involves converting otherwise unused energy present in our environment into usable electrical energy that can be used to power an electronic system. Electrostatic kinetic energy harvesters (eKEHs) utilize vastly present kinetic energy that originates either from an object in motion or vibrations and converts it into electrical energy. The employed principle is based on a polarized variable electrostatic capacitor. With an addition of a triboelectric layer between its plates and utilizing the triboelectrification effect, an eKEH is transformed into a triboelectric nanogenerator (TENG). This type of transducer accumulates charges by contact in the triboelectric layer which thus becomes an electret whose generated semi-permanent electric field allows a variation of the distribution of the electric charges in the electrodes by electrostatic induction.Altering the architecture of a TENG by adding the third electrode, a single-capacitive transducer is converted into a double-capacitive TENG. Doubling the conversion element in a transducer is expected to increase the amount of converted energy. Chosen electronics circuit to condition obtained signal from the generator is Bennet’s charge doubler. An increase without saturation point at the output of this circuit is the unique characteristic of this unstable charge pump. It reflects through an exponential increase of output voltage and a number of charges accumulated in the storage capacitor which increase (in theory) in an infinite way. This means that the surface of the charge-voltage cycle at the terminals of the TENG, and thus the converted energy of the mechanical domain, increases at each iteration of the mechanical cycle of the transducer.The scope of this thesis encompasses the simulation, analytical and experimental research of Bennet’s charge doubler with two asymmetric variable capacitors each containing a triboelectric layer. It is postulated that the performance of the "double TENG" - "double Bennet" system is superior to the classic Bennet’s double. The results of analytical and simulation analysis have shown that the expected behavior of this circuit aligns with hypothesized performance results. The system has been tested experimentally. It is concluded that the results of the constructed system are relevant when compared with the reported performance of the classic "single-capacitive TENG" - "Bennet’s doubler" system.When compared with classic Bennet’s doubler, double Bennet reaches the same voltage levels in less time. That is due to the advantage of double capacitive TENG which increases the number of accumulated charges per mechanical cycle. In analytical analysis, it was found that the two TENG capacitors are codependent and that in operation they affect one another.The output signal of double Bennet is characterized by high voltages ranging from a few hundreds of volts to a few kilovolts (kV). To reduce the rectified output voltage to a level compatible with a commercial application, a Buck DC-DC converter is implemented. This requires a switch. This thesis proposes and studies the use of a high-voltage MEMS micro-plasma switch whose actuation voltages is defined by Paschen’s law. Within the scope of this thesis, the theoretical and experimental studies of this law at the micrometer scale propose optimal actuation voltages for better management of the converted energy
La récupération de l'énergie est le processus qui consiste à convertir l'énergie inutilisée présente dans notre environnement en énergie électrique utilisable pour alimenter un système électronique. Les récupérateurs d'énergie cinétique à transduction électrostatique (eKEH) utilisent l'énergie cinétique présente dans l’environnement, qui provient d'un objet en mouvement ou de vibrations, afin de la convertir en énergie électrique. Le principe employé est basé sur un condensateur variable polarisé. En ajoutant une couche triboélectrique entre ses armatures et en créant un contact entre elles, un eKEH devient ce qui l’on appelle communément un nanogénérateur triboélectrique (TENG). Ce type de transducteur accumule des charges par contact dans la couche triboélectrique qui devient ainsi un électret dont le champs électrique semi-permanent généré permet une variation de la distribution des charges électriques dans les électrodes par induction électrostatique.La modification de l'architecture d'un TENG par l'ajout d'une troisième électrode permet de transformer un transducteur à capacité simple en un TENG à capacité double. Le fait de doubler l'élément de conversion dans un transducteur doit permettre d’augmenter la quantité d'énergie convertie. Le circuit électronique choisi pour redresser le signal obtenu en sortie du générateur est le doubleur de Bennet. L’absence de tension de saturation en sortie de ce circuit est une caractéristique particulière de cette pompe de charge dite instable. Elle se traduit par une augmentation exponentielle de la tension de sortie et des charges accumulées dans le condensateur de stockage qui augmentent (en théorie) de manière infinie. Cela signifie que la surface du cycle charge-tension aux bornes du TENG, et donc l’énergie convertie du domaine mécanique, augmente à chaque itération du cycle mécanique du transducteur.Cette thèse comprend l'analyse, la simulation et la démonstration expérimentale d’un doubleur de Bennet comportant deux capacités variables asymétriques incluant chacune une couche triboélectrique. Il est montré que les performances du système « double TENG » - « double Bennet » sont supérieures au doubleur de Bennet classique. L'étude analytique s'aligne sur les simulations. Le système a été testé expérimentalement. Il en est conclu que les résultats expérimentaux sont pertinents lorsqu'ils sont comparés aux performances du système classique d’un « TENG mono-capacitif » - « Bennet simple». Par rapport au doubleur de Bennet classique, le double Bennet atteint les mêmes niveaux de tension en moins de temps. Cela est dû à l'avantage du double condensateur TENG qui augmente le nombre de charges accumulées par cycle mécanique. L'analyse a montré que les deux condensateurs TENG sont co-dépendants et qu’ils s’influencent mutuellement lorsqu’ils sont mis en fonction.Le signal de sortie du double Bennet est caractérisé par des tensions élevées allant de plusieurs centaines à plusieurs milliers de volts. Pour abaisser la tension redressée en sortie à un niveau compatible avec une application commerciale, un convertisseur DC-DC de type Buck est implémenté. Celui-ci nécessite un interrupteur. Cette thèse propose et étudie l'utilisation d'un interrupteur haute-tension MEMS dit à micro-plasma dont la tension d’actionnement est définie par la loi de Paschen. Cette thèse se conclue par une étude théorique et expérimentale de cette loi à l'échelle micrométrique dans le but de proposer des tensions d’actionnement optimales pour une meilleure gestion de l'énergie captée
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04330342 , version 1 (08-12-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04330342 , version 1

Citer

Naida Hodzic. Study of triboelectric kinetic energy harvester with an asymmetric double variable capacitor implemented in a bennet doubler. Electronics. Université Gustave Eiffel, 2022. English. ⟨NNT : 2022UEFL2072⟩. ⟨tel-04330342⟩
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