Récupération d'énergie et contrôle vibratoire par éléments piézoélectriques suivant une approche non linéaire PDF Download
Are you looking for read ebook online? Search for your book and save it on your Kindle device, PC, phones or tablets. Download Récupération d'énergie et contrôle vibratoire par éléments piézoélectriques suivant une approche non linéaire PDF full book. Access full book title Récupération d'énergie et contrôle vibratoire par éléments piézoélectriques suivant une approche non linéaire by Adrien Badel. Download full books in PDF and EPUB format.
Author: Adrien Badel
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : fr
Pages : 218
Get Book Here
Book Description
Ce travail concerne l'étude de techniques non linéaires ayant pour effet d'augmenter considérablement l'effet de conversion électromécanique des matériaux piézoélectriques. Les potentialités de ces techniques sont étudiées dans le cas de l'amortissement vibratoire et de la récupération d'énergie. On distingue généralement deux types de contrôle vibratoire à l'aide d'éléments piézoélectriques: les techniques passives, qui consistent à connecter un réseau électrique passif aux éléments piézoélectriques et les techniques actives qui utilisent un çalculateur associé à une source d'énergie électrique. Les techniques non linéaires étudiées, appelées SSD pour " Synchronized Switch Damping ", sont qualifiées de semi passives car elles ne nécessitent pas de source d'énergie externe mais effectuent cependant un traitement intelligent de la tension. Ces techniques sont beaucoup plus efficaces et adaptables que les techniques passives. Elles sont, en outre, beaucoup plus facile à implémenter que les techniques actives et présentent des performances comparables. Les travaux réalisés proposent une nouvelle approche pour appréhender les techniques SSD, ainsi que plusieurs développement de ces techniques, notamment en proposant une loi de contrôle permettant d'optimiser !'amortissement dans le cas de structures et de signaux complexes. Les techniques d'amortissement vibratoire SSD ont été adaptées à la récupération d'énergie. Il s'agit de convertir l'énergie vibratoire en énergie électrique afin de constituer des micro-générateurs d'une puissance comprise entre quelques μW et quelques centaines de mW. Ces générateurs répondent a un besoin croissant lié à la prolifération des capteurs, micro-actionneurs et autres dispositifs électroniques embarqués. Les techniques développées permettant d'accroître drastiquement les performances de ce type de micro-générateurs, ce qui permet de diminuer la quantité de matériau piézoélectrique nécessaire et d'envisager des applications nouvelles nécessitant plus d'énergie. Suivant les structures et le type de sollicitation, le gain apporté par les techniques non linéaires sur la puissance utile des micro-générateurs est plus ou moins important, et peut atteindre un facteur 10 par rapport aux techniques de récupération d'énergie classiques
Author: Adrien Badel
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : fr
Pages : 218
Get Book Here
Book Description
Ce travail concerne l'étude de techniques non linéaires ayant pour effet d'augmenter considérablement l'effet de conversion électromécanique des matériaux piézoélectriques. Les potentialités de ces techniques sont étudiées dans le cas de l'amortissement vibratoire et de la récupération d'énergie. On distingue généralement deux types de contrôle vibratoire à l'aide d'éléments piézoélectriques: les techniques passives, qui consistent à connecter un réseau électrique passif aux éléments piézoélectriques et les techniques actives qui utilisent un çalculateur associé à une source d'énergie électrique. Les techniques non linéaires étudiées, appelées SSD pour " Synchronized Switch Damping ", sont qualifiées de semi passives car elles ne nécessitent pas de source d'énergie externe mais effectuent cependant un traitement intelligent de la tension. Ces techniques sont beaucoup plus efficaces et adaptables que les techniques passives. Elles sont, en outre, beaucoup plus facile à implémenter que les techniques actives et présentent des performances comparables. Les travaux réalisés proposent une nouvelle approche pour appréhender les techniques SSD, ainsi que plusieurs développement de ces techniques, notamment en proposant une loi de contrôle permettant d'optimiser !'amortissement dans le cas de structures et de signaux complexes. Les techniques d'amortissement vibratoire SSD ont été adaptées à la récupération d'énergie. Il s'agit de convertir l'énergie vibratoire en énergie électrique afin de constituer des micro-générateurs d'une puissance comprise entre quelques μW et quelques centaines de mW. Ces générateurs répondent a un besoin croissant lié à la prolifération des capteurs, micro-actionneurs et autres dispositifs électroniques embarqués. Les techniques développées permettant d'accroître drastiquement les performances de ce type de micro-générateurs, ce qui permet de diminuer la quantité de matériau piézoélectrique nécessaire et d'envisager des applications nouvelles nécessitant plus d'énergie. Suivant les structures et le type de sollicitation, le gain apporté par les techniques non linéaires sur la puissance utile des micro-générateurs est plus ou moins important, et peut atteindre un facteur 10 par rapport aux techniques de récupération d'énergie classiques
Author: Madhu Bhaskaran
Publisher: CRC Press
ISBN: 1466587253
Category : Science
Languages : en
Pages : 289
Get Book Here
Book Description
For decades, people have searched for ways to harvest energy from natural sources. Lately, a desire to address the issue of global warming and climate change has popularized solar or photovoltaic technology, while piezoelectric technology is being developed to power handheld devices without batteries, and thermoelectric technology is being explored to convert wasted heat, such as in automobile engine combustion, into electricity. Featuring contributions from international researchers in both academics and industry, Energy Harvesting with Functional Materials and Microsystems explains the growing field of energy harvesting from a materials and device perspective, with resulting technologies capable of enabling low-power implantable sensors or a large-scale electrical grid. In addition to the design, implementation, and components of energy-efficient electronics, the book covers current advances in energy-harvesting materials and technology, including: High-efficiency solar technologies with lower cost than existing silicon-based photovoltaics Novel piezoelectric technologies utilizing mechanical energy from vibrations and pressure The ability to harness thermal energy and temperature profiles with thermoelectric materials Whether you’re a practicing engineer, academician, graduate student, or entrepreneur looking to invest in energy-harvesting devices, this book is your complete guide to fundamental materials and applied microsystems for energy harvesting.
Author: Laurent A. Francis
Publisher: CRC Press
ISBN: 1466560673
Category : Technology & Engineering
Languages : en
Pages : 621
Get Book Here
Book Description
Microsystems technologies have found their way into an impressive variety of applications, from mobile phones, computers, and displays to smart grids, electric cars, and space shuttles. This multidisciplinary field of research extends the current capabilities of standard integrated circuits in terms of materials and designs and complements them by creating innovative components and smaller systems that require lower power consumption and display better performance. Novel Advances in Microsystems Technologies and their Applications delves into the state of the art and the applications of microsystems and microelectronics-related technologies. Featuring contributions by academic and industrial researchers from around the world, this book: Examines organic and flexible electronics, from polymer solar cell to flexible interconnects for the co-integration of micro-electromechanical systems (MEMS) with complementary metal oxide semiconductors (CMOS) Discusses imaging and display technologies, including MEMS technology in reflective displays, the fabrication of thin-film transistors on glass substrates, and new techniques to display and quickly transmit high-quality images Explores sensor technologies for sensing electrical currents and temperature, monitoring structural health and critical industrial processes, and more Covers biomedical microsystems, including biosensors, point-of-care devices, neural stimulation and recording, and ultra-low-power biomedical systems Written for researchers, engineers, and graduate students in electrical and biomedical engineering, this book reviews groundbreaking technology, trends, and applications in microelectronics. Its coverage of the latest research serves as a source of inspiration for anyone interested in further developing microsystems technologies and creating new applications.
Author: Mickaël Lallart
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : fr
Pages : 306
Get Book Here
Book Description
Les récents progrès en microélectronique ainsi qu’en récupération d’énergie ambiante permettent désormais d’envisager la conception de « systèmes intelligents » auto-alimentés. L’objectif des travaux présentés ici est triple. Tout d’abord il sagit de développer des techniques de contrôle vibratoire limitant la fatigue des matériaux et répondant aux contraintes énergétique des systèmes embarqués. Ensuite de nouvelles méthodes améliorant la récupération d’énergie vibratoire ambiante sont exposées. Reposant sur un traitement non linéaire, ces techniques permettent un gain important de puissance de sortie. Enfin, des techniques de contrôle de santé structurale nécessitant une énergie très faible sont présentées, permettant ainsi le suivi à moindre coût de l’évolution de la structure. Ces trois points seront finalement combinés, démontrant ainsi la faisabilité du contrôle de santé structurale in situ totalement auto-alimenté. Cette dernière partie a été effectuée dans le cadre du projet européen ADVICE.
Author: Christophe Magnet
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : fr
Pages : 206
Get Book Here
Book Description
Ces dernières années, les applications utilisant des matériaux piézoélectriques se sont considérablement développées. Les champs d’application de ces matériaux sont nombreux : le contrôle de vibration, le contrôle acoustique, la récupération d’énergie, les transformateurs piézoélectriques... Les thématiques du LGEF englobent le développement de systèmes adaptatifs à base de matériaux électroactifs avec notamment le développement d’une technique, appelée SSD (pour Synchronized Switch Damping), de contrôle de la tension générée par des éléments piézoélectriques. Cette technique consiste à créer des non linéarités fortes sur la tension. Ces travaux de thèse ont consisté à approfondir et à adapter les techniques SSD à l’optimisation de la densité de puissance des transformateurs piézoélectriques et au contrôle de vibration des cartes électroniques. Dans le cadre de l’application « transformateurs piézoélectriques », les résultats expérimentaux confirment les prédictions théoriques et montrent une nette amélioration de la densité de puissance pouvant s’accompagner, sous certaines conditions, d’une amélioration du rendement. Appliquées au contrôle de vibration de carte électronique, les techniques non-linéaires posent le problème de l’optimisation du couplage électromécanique par rapport à la surface recouverte par les inserts. Les travaux effectués dans ce domaine ont permis d’identifier les paramètres permettant d’optimiser le couplage électromécanique globale de la structure. Enfin, un modèle multimodal a été développé : il a permis d’évaluer l’efficacité multimodale de différentes lois de contrôle de complexité variée afin de les comparer entre elles.
Author: Yipeng Wu
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : en
Pages : 0
Get Book Here
Book Description
La technologie de récupération d'énergie correspond au processus de conversion de l'énergie ambiante en énergie électrique utile à travers l'utilisation d'un matériau ou d'un transducteur spécifique. Cette énergie ambiante est présente généralement dans l'environnement du dispositif électronique autonome. L'exploitation de cette énergie peut permettre d'alimenter des dispositifs électroniques autonomes, sans l'utilisation de batteries conventionnelles. Parmi les différentes sources d'énergie ambiantes (solaire, flux d'air, flux thermiques, vibrations, etc.), les vibrations ambiantes sont une des sources d'énergie les plus répandue et suscitent ainsi un nombre croissant de travaux de recherche. Cette thèse porte sur la conception d'un dispositif complet de récupération de l'énergie des vibrations qui est adapté à des vibrations ambiantes large bande à partir de transducteurs piézoélectriques. Le système comprend un générateur piézoélectrique qui transforme l'énergie vibratoire mécanique en énergie électrique et un circuit d'extraction qui extrait et stocke l'énergie générée dans un élément de stockage. La première partie de la thèse présente une structure linéaire intégrant deux butées mécaniques symétriques. Les performances entre cette structure et une structure linéaire classique sont comparées dans plusieurs cas d'excitation. La raideur linéaire par-morceaux de la structure proposée permet d'agrandir considérablement la largeur de la bande fréquentielle de fonctionnement du générateur piézoélectrique. La deuxième partie de la thèse propose un circuit d'extraction d'énergie avancé nommé OSECE (Optimized Synchronous Electrical Charge Extraction). Il s'agit d'une amélioration de la technique SECE (Synchronous Electrical Charge Extraction). Le circuit électronique et la stratégie de commande de commutation sont simplifiés, mais l'efficacité de conversion d'énergie est également accrue. En outre, le circuit de OSECE est une interface d'extraction faiblement dépendante de la charge, ce qui est une caractéristique favorable à la récupération d'énergie vibratoire large bande. Afin de rendre le circuit de OSECE capable de fonctionner de façon autonome, la troisième partie de la thèse propose deux méthodes d'autoalimentation dédiées à la technique OSECE. L'une est une approche électronique qui utilise des circuits de détection de maximum pour piloter les interrupteurs électroniques; l'autre est une approche mécanique qui intègre des butées mécaniques exploitées comme interrupteurs mécaniques synchrones, ceux-ci étant entraînés passivement par la vibration elle-même. Enfin, une plate-forme de démonstration pour le dispositif de récupération de l'énergie de vibration est développée et mise en œuvre au laboratoire.
Author: Weiqun Liu
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : en
Pages : 0
Get Book Here
Book Description
La récupération d'énergie à partir des sources de vibration est une des stratégies développées pour l'alimentation de capteurs autonomes communicants. La variabilité des gisements vibratoires dans l'environnement constitue un défi notable pour l'obtention de performances satisfaisantes et appelle au développement de dispositifs de récupération d'énergie à large bande passante. Les générateurs basés sur des oscillateurs mécaniques non linéaires bistables ont démontré des performances particulièrement intéressantes. Grâce à l'effet de conversion fréquentielle notamment, la plage de fonctionnement est considérablement augmentée. Une nouvelle architecture de générateur bistable basée sur un oscillateur non linéaire et des composants piézoélectriques est proposé dans la thèse. Ce générateur possède des caractéristiques particulièrement favorables en termes de compacité et de simplicité. Des études théoriques et expérimentales ont été menées. En utilisant les excitations canoniques dans le cas de systèmes dynamiques non linéaires (balayage fréquentiel et bruit blanc), les gains obtenus par rapport à des générateurs linéaires ont été quantifiés. Les performances du générateur proposé sont également supérieures à celles des générateurs bistables de la littérature. Une attention particulières a été portée à l'étude des réponses dynamiques non linéaires complexes révélant la présence d'attracteurs étranges et l'influence des conditions initiales. Une analyse spectrale est également utilisée pour améliorer la compréhension du comportement du générateur. L'adimensionnement des équations d'équilibres donne à ces analyses une portée générique. Selon le modèle normalisé développé, la performance d'un générateur bistable est liée à quatre paramètres critiques: l'amortissement structurel, le niveau de couplage électromécanique, le niveau de flambement et la fréquence caractéristique. Un facteur de mérite est proposé et constitue un élément de comparaison pertinent entre générateurs. Une stratégie de conception optimale a été élaborée et mise en œuvre pour la réalisation d'un générateur miniaturisée. Après une caractérisation expérimentale complète utilisant les signaux canoniques, son potentiel d'application à des cas plus proches des environnements réels a été étudié en répliquant en laboratoire l'excitation mesurée sur un véhicule en roulage. L'association du générateur bistable avec une technique d'extraction d'énergie non linéaire a été réalisée : la technique OSECE (Optimized Synchronous Electric Charge Extraction) est choisie. Les gains de performances obtenus pour différents niveaux de couplage électromécanique dans le cas des excitations canoniques sont étudiés. L'énergie récupérée est considérablement augmentée en cas de faibles couplages électromécaniques. Lorsque celui-ci est plus élevé, les performances sont comparables à celles obtenues avec un simple pont redresseur, mais l'indépendance à l'impédance d'entrée du circuit alimenté dans le cas de la technique OSECE peut être un avantage déterminant pour des applications réelles. Finalement, compte tenu des gains attendus par l'approche combinée oscillateur bistable et technique OSECE, l'auto-alimentation du circuit actif OSECE est réalisée dans le cas d'un oscillateur bistable par des moyens mécaniques. La complexité du générateur est légèrement augmentée dans la mesure où des butées mécaniques et un système de contacteurs électriques sont ajoutés. Les résultats démontrent le potentiel de l'approche qui capitalise les bénéfices de l'oscillateur bistable et du circuit d'extraction non linéaire.
Author: David Gibus
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : fr
Pages : 0
Get Book Here
Book Description
La récupération d'énergie vibratoire s'intéresse à utiliser les vibrations afin d'alimenter des capteurs sans fil communicants à des emplacements où les piles et les batteries ne peuvent être employées ou changées. Dans ce contexte, l'utilisation de structures résonantes piézoélectriques permet de récupérer des puissances électriques importantes. Cependant, ces performances ne sont atteintes que sur une bande fréquentielle très limitée (typiquement quelques pourcents de la fréquence de résonance du récupérateur). En réponse à cette problématique, des techniques électriques capables d'ajuster la fréquence de résonance de récupérateurs piézoélectriques sont développées depuis quelques années. Pour atteindre une bande de fréquence de fonctionnement intéressante grâce à ces techniques, les récupérateurs piézoélectriques doivent présenter un très fort couplage électromécanique global. Cette thèse porte donc sur la modélisation, la conception et la caractérisation de récupérateurs d'énergie piézoélectriques très fortement couplés pour la récupération d'énergie vibratoire large bande. Dans cette thèse, il est montré que la poutre encastrée-libre (cantilever) comportant une longue masse mobile à son extrémité libre est la configuration la plus pertinente pour optimiser le coefficient de couplage électromécanique global. La proposition puis l'exploitation d'un modèle analytique dédié, nous a permis de démontrer l'intérêt de la longue masse. Ce modèle permet notamment d'étudier les aspects électromécaniques de manière adimensionnelle et de dresser des conclusions générales sur le dimensionnement de poutres très fortement couplées. Sur un autre aspect, les travaux réalisés montrent que, pour les matériaux piézoélectriques couramment utilisés en récupération d'énergie, le coefficient de couplage électromécanique global d'une poutre est maximisé lorsque les déformations latérales sont minimisées. Cet effet peut être obtenu par la maximisation de la largeur de la poutre (état de déformation plane) ou alors par la fixation de barreaux latéraux sur cette dernière. Afin de valider expérimentalement l'intérêt d'une longue masse mobile, un récupérateur à base de matériau monocristallin très fortement couplé (PMN-PT) est proposé. Deux récupérateurs à base de matériau céramique (PZT) sont également proposés afin de montrer l'influence de la largeur de la poutre sur le coefficient de couplage électromécanique global. Les récupérateurs testés avec des charges résistives en conditions vibratoires laissent présager de grands potentiels en matière d'ajustement de fréquences (plus de 10% de leurs fréquences de résonance). Dans le cadre de ces travaux de recherche, un des prototypes a notamment été testé avec un circuit de gestion électrique dédié permettant un ajustement automatique sur une large bande de fréquences (plus de 17% de la fréquence de résonance). Pour finir, un modèle phénoménologique non-linéaire est présenté à la fin de cette thèse. Il permet de considérer et de comprendre l'influence des pertes mécaniques et diélectriques sur le comportement et les performances (puissance récupérée et bande passante) des récupérateurs.
Author: Adil Faiz
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : fr
Pages : 155
Get Book Here
Book Description
Les thématiques du LGEF englobent le développement des matériaux adaptatifs et de systèmes électroactifs. Les amortisseurs semi-passifs piézoélectriques constituent à ce titre l'une des déclinaisons les plus récentes de ces travaux. Dans ce cadre, une technique originale appelée SSD (Synchronized Switch Damping) a été développée en s'articulant sur un traitement non linéaire de la tension générée par les éléments piézoélectriques. Cette technique d'une grande universalité permet d'augmenter significativement les performances de systèmes d'amortissement de structures, de concevoir des éléments de récupération d'énergie ou encore d'effectuer de l'anéchoïsme. Mes travaux de thèse ont consisté à adapter la technique SSD au contrôle de l'onde acoustique réfléchie et de l'onde transmise par une paroi dans un conduit circulaire. L'objectif est de parvenir à un contrôle vibroacoustique du système permettant une diminution des champs de pression transmise et réfléchie. Dans ce but, un modèle analytique intégrant les phénomènes vibratoires et acoustiques a permis d'estimer l'atténuation obtenue en réflexion et en transmission. Ces estimations ont été validées à l'aide d'un dispositif expérimental constitué d'un conduit équipé d'une terminaison SSD permettant des atténuations de l'ordre de 15dB en réflexion etd e 7dB en transmission pour une excitation de type Burst. Le comportement fréquentiel de l'amortisseur SSD a également été estimé grâce à une excitation au balayage (Sweep). Des atténuations de l'ordre de 16dB en transmission sur 1 bande de 600Hz montrent aussi le caractère large bande de l'amortisseur. Finalement une approche probabiliste est appliquée pour résoudre le problème d'une excitation réaliste "large bande" simulée expérimentalement par un bruit blanc. Des atténuations significatives montrent l'intérêt qui peut apporter la loi probabiliste pour ce type d'excitation. De plus, les performances d'un panneau acoustique à absorbeurs SSD multiples ont été évaluées par simulation à l'aide d'un Modèle à Eléments Finis (code ANSYS), établissant ainsi la faisabilité de systèmes absorbants à large bande fréquentielle
Author: Adrien Morel (Docteur en sciences pour l'ingénieur).)
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : fr
Pages : 0
Get Book Here
Book Description
La récupération d'énergie est un domaine émergent dont la visée principale est le développement de systèmes de capteurs autonomes énergétiquement, ne nécessitant pas de maintenance. La récupération de l'énergie contenue dans les vibrations ambiantes est d'un intérêt tout particulier lorsque le capteur à alimenter se trouve dans un environnement clos, confiné, où les gisements d'énergie solaire et les gradients thermiques ne sont pas suffisamment abondants. Cependant l'industrialisation et la mise sur le marché de récupérateurs d'énergie vibratoire sont freinées par la faible robustesse des récupérateurs d'énergie actuels. En effet, comment garantir l'autonomie d'un système pendant plusieurs années si le vieillissement du récupérateur d'énergie, les dérives en température de l'environnement, ou les variations de la source vibratoire peuvent écarter la fréquence de la source vibrante de la fréquence de résonance du récupérateur d'énergie, diminuant ainsi drastiquement l'énergie récupérée ? Cette thèse propose l'étude théorique et expérimentale d'approches permettant de régler électriquement la fréquence de résonance d'un récupérateur d'énergie vibratoire à transduction piézoélectrique, afin de pouvoir l'ajuster en temps réel. Après avoir expliqué le contexte dans lequel s'inscrit cette thèse, nous avons développé un modèle électromécanique du récupérateur d'énergie couplé à l'interface électrique. L'analyse de ce modèle nous a permis de rassembler l'ensemble des influences de l'interface électrique sur la dynamique du système sous la forme de deux paramètres : l'amortissement électrique et la raideur électrique. L'ajustement de ces deux paramètres a été tout d'abord analysé, puis, dans un second temps, réalisé grâce à des combinaisons de charges linéaires résistives, capacitives et inductives. La généralisation de ces influences aux interfaces électriques non-linéaires a permis l'élaboration de plusieurs stratégies innovantes d'extraction de l'énergie, permettant le réglage dynamique de la fréquence de résonance du récupérateur. La validation expérimentale de ces stratégies avec des récupérateurs d'énergie utilisant des matériaux piézoélectriques a permis de vérifier notre modèle tout en démontrant le potentiel de notre approche, notamment pour des structures présentant de forts couplages électromécaniques. La comparaison quantitative de ces stratégies a été rendue possible grâce au développement de plusieurs outils d'analyse et d'une figure de mérite prenant en compte le comportement fréquentiel du récupérateur associé à une stratégie donnée. Cette comparaison nous a permis de choisir la meilleure stratégie à implémenter dans un circuit intégré dédié. Cette intégration microélectronique constitue la dernière étape de cette thèse. Le circuit réalisé inclut un chemin de puissance, un démarrage à froid, un ensemble de capteurs auto-alimentés et un algorithme très basse consommation permettant le réglage en temps réel de la fréquence de résonance du récupérateur. Le rendement maximal atteint par notre circuit est de 94%. Outre ses performances, ce circuit est le premier à combiner auto-alimentation et réglage de la fréquence de résonance du récupérateur, tout en ne nécessitant pas de calibration préalable et en présentant une consommation inférieure au micro-watt. La comparaison de notre circuit avec des solutions de l'état de l'art (réglage magnétique, piézoélectrique ou mécanique) démontre tout le potentiel de notre approche.
