Récupération d'énergie mécanique à partir de sources vibratoires déterministes et aléatoires PDF Download
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Author: Simon Paquin (Ph. D. en génie mécanique)
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ISBN:
Category :
Languages : fr
Pages : 231
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Book Description
L'alimentation électrique d'un appareil électronique sans fil est souvent effectuée via une pile électrique. Une solution alternative pour produire une alimentation en continue est de récupérer l'énergie provenant des vibrations d'une structure mécanique. Il a déjà été démontré que le récupérateur d'énergie vibratoire classique est efficace uniquement lorsque la source d'excitation vibratoire a un contenu fréquentiel à bande étroite. Les sources vibratoires étant souvent composées d'un large spectre fréquentiel, le récupérateur classique est alors peu performant. L'objectif principal de cette thèse est donc de proposer et d'évaluer une architecture de récupération d'énergie permettant de récupérer efficacement de l'énergie provenant d'une source vibratoire dont le contenu fréquentiel est déterministe ou aléatoire. Une revue de documentation scientifique permet d'abord de classifier et de hiérarchiser les différentes stratégies qui ont déjà été proposées pour récupérer de l'énergie à partir des sources vibratoires les plus courantes. Basée sur cette revue, une architecture composée de plusieurs récupérateurs piézoélectriques couplés via des impédances électriques est ensuite proposée. Afin de prédire la densité de puissance adimensionnelle de cette architecture, un modèle électromécanique de celle-ci est développé puis validé expérimentalement avec un prototype composé de deux récupérateurs. Ce modèle est ensuite introduit dans une procédure d'optimisation qui maximise un critère de performances basé sur le type de source vibratoire d'excitation, soit une source stationnaire ou non-stationnaire. Les résultats d'optimisation sont par la suite analysés sous forme d'études paramétriques. Pour différentes sources vibratoires, ces études établissent l'influence de chacun des paramètres composant l'architecture sur ses performances tout en développant un outil de conception de l'architecture proposée. La première partie de ces études considère le cas où l'architecture est excitée par une source vibratoire harmonique tandis que la seconde partie le fait pour une source aléatoire stationnaire et non-stationnaire. Finalement, des cas d'application sont présentés pour démontrer comment utiliser l'outil de conception. Bien que les résultats obtenus dans ces cas ne soient pas généraux, il y est démontré que l'utilisation de l'architecture proposée permet d'augmenter la densité de puissance ou de l'uniformiser sur un plus large spectre fréquentiel : comparativement au récupérateur classique, une architecture de deux récupérateurs permet un gain de performances de 51% pour une source vibratoire harmonique, de 184% pour une source de type passe-bas et de 212% pour une source non-stationnaire.
Author: Simon Paquin (Ph. D. en génie mécanique)
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Languages : fr
Pages : 231
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Book Description
L'alimentation électrique d'un appareil électronique sans fil est souvent effectuée via une pile électrique. Une solution alternative pour produire une alimentation en continue est de récupérer l'énergie provenant des vibrations d'une structure mécanique. Il a déjà été démontré que le récupérateur d'énergie vibratoire classique est efficace uniquement lorsque la source d'excitation vibratoire a un contenu fréquentiel à bande étroite. Les sources vibratoires étant souvent composées d'un large spectre fréquentiel, le récupérateur classique est alors peu performant. L'objectif principal de cette thèse est donc de proposer et d'évaluer une architecture de récupération d'énergie permettant de récupérer efficacement de l'énergie provenant d'une source vibratoire dont le contenu fréquentiel est déterministe ou aléatoire. Une revue de documentation scientifique permet d'abord de classifier et de hiérarchiser les différentes stratégies qui ont déjà été proposées pour récupérer de l'énergie à partir des sources vibratoires les plus courantes. Basée sur cette revue, une architecture composée de plusieurs récupérateurs piézoélectriques couplés via des impédances électriques est ensuite proposée. Afin de prédire la densité de puissance adimensionnelle de cette architecture, un modèle électromécanique de celle-ci est développé puis validé expérimentalement avec un prototype composé de deux récupérateurs. Ce modèle est ensuite introduit dans une procédure d'optimisation qui maximise un critère de performances basé sur le type de source vibratoire d'excitation, soit une source stationnaire ou non-stationnaire. Les résultats d'optimisation sont par la suite analysés sous forme d'études paramétriques. Pour différentes sources vibratoires, ces études établissent l'influence de chacun des paramètres composant l'architecture sur ses performances tout en développant un outil de conception de l'architecture proposée. La première partie de ces études considère le cas où l'architecture est excitée par une source vibratoire harmonique tandis que la seconde partie le fait pour une source aléatoire stationnaire et non-stationnaire. Finalement, des cas d'application sont présentés pour démontrer comment utiliser l'outil de conception. Bien que les résultats obtenus dans ces cas ne soient pas généraux, il y est démontré que l'utilisation de l'architecture proposée permet d'augmenter la densité de puissance ou de l'uniformiser sur un plus large spectre fréquentiel : comparativement au récupérateur classique, une architecture de deux récupérateurs permet un gain de performances de 51% pour une source vibratoire harmonique, de 184% pour une source de type passe-bas et de 212% pour une source non-stationnaire.
Author: Bouhadjar Ahmed-Seddik
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Languages : fr
Pages : 0
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Book Description
Dans ce travail de thèse nous nous sommes intéressés principalement à la récupération de l'énergie mécanique et plus particulièrement l'énergie vibratoire. Cette technologie repose sur l'utilisation des transducteurs résonants, ces dispositifs permettent d'amplifier l'amplitude de vibration et donc de stocker d'avantage d'énergie mécanique dans le convertisseur à la résonance. La quantité de l'énergie en sortie du convertisseur chute lorsque la fréquence de vibration n'est plus égale à la fréquence de résonance, il est donc nécessaire d'assurer un asservissement de la fréquence de résonance de la structure de récupération d'énergie vibratoire sur la fréquence de vibration, si possible sur tout le spectre fréquentiel que couvre la source de vibration. L'objectif de la thèse est de proposer des solutions, à basse consommation, permettant d'assurer un ajustement dynamique en temps réel de la fréquence de résonance en fonction de la fréquence de vibration. 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 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 permettent 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 (pour maintenir un facteur de qualité de la structure optimum).
Author:
Publisher: Ed. Techniques Ingénieur
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Languages : fr
Pages : 10
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Author: Yipeng Wu
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Languages : en
Pages : 0
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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: Simon Paquin (Ph. D. en génie mécanique.)
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Languages : fr
Pages : 296
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Book Description
Dans la dernière décennie, plusieurs chercheurs ont démontré un intérêt concernant la possibilité de récupérer de l'énergie mécanique provenant de structures vibrantes. Une façon commune de procéder consiste à utiliser l'effet piézoélectrique direct à partir d'une poutre en porte-à-faux ayant des céramiques piézoélectriques intégrées. Les études portant sur la modélisation du phénomène se sont jusqu'ici limitées à des geometries simples de récupérateur tandis que peu d'études se sont intéressées à la modélisation d'une forme optimale de récupérateur. Les travaux de recherche de ce mémoire étudient donc le phénomène de récupération d'énergie vibratoire afin d'élaborer un design optimal de récupérateur piézoélectrique. Le phénomène piézoélectrique est d'abord décrit théoriquement afin que le volume piézoélectrique soit intégré adéquatement à une structure vibrante. Une analyse détaillée de modèles est ensuite réalisée pour faire ressortir les bases de la récupération d'énergie vibratoire. À la lumière de cette analyse, une modélisation semi-analytique est développée à partir des approximations de Rayleigh-Ritz et intégrée à un modèle électromécanique. Une fois validée, des études numériques sont réalisées avec ce modèle permettant ainsi de poser le problème d'optimisation de la géométrie du récupérateur. Un algorithme génétique est finalement utilisé pour maximiser la puissance récupérée. La géométrie optimale permet de récupérer une puissance de 62.8 mW lorsque le récupérateur est soumis à une source vibratoire ayant une amplitude d'accélération de 9.81 m.s−2 et une fréquence d'excitation de 100 Hz, ce qui constitue une densité énergétique de 0.38 mW.g−1.
Author: Simon Paquin
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Languages : fr
Pages : 296
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Book Description
Dans la dernière décennie, plusieurs chercheurs ont démontré un intérêt concernant la possibilité de récupérer de l'énergie mécanique provenant de structures vibrantes. Une façon commune de procéder consiste à utiliser l'effet piézoélectrique direct à partir d'une poutre en porte-à-faux ayant des céramiques piézoélectriques intégrées. Les études portant sur la modélisation du phénomène se sont jusqu'ici limitées à des geometries simples de récupérateur tandis que peu d'études se sont intéressées à la modélisation d'une forme optimale de récupérateur. Les travaux de recherche de ce mémoire étudient donc le phénomène de récupération d'énergie vibratoire afin d'élaborer un design optimal de récupérateur piézoélectrique. Le phénomène piézoélectrique est d'abord décrit théoriquement afin que le volume piézoélectrique soit intégré adéquatement à une structure vibrante. Une analyse détaillée de modèles est ensuite réalisée pour faire ressortir les bases de la récupération d'énergie vibratoire. À la lumière de cette analyse, une modélisation semi-analytique est développée à partir des approximations de Rayleigh-Ritz et intégrée à un modèle électromécanique. Une fois validée, des études numériques sont réalisées avec ce modèle permettant ainsi de poser le problème d'optimisation de la géométrie du récupérateur. Un algorithme génétique est finalement utilisé pour maximiser la puissance récupérée. La géométrie optimale permet de récupérer une puissance de 62.8 mW lorsque le récupérateur est soumis à une source vibratoire ayant une amplitude d'accélération de 9.81 m.s−2 et une fréquence d'excitation de 100 Hz, ce qui constitue une densité énergétique de 0.38 mW.g−1.
Author: Emmanuelle Arroyo
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Languages : fr
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La récupération d’énergie vise à réaliser des dispositifs électromécaniques de taille centimétrique permettant d’alimenter des systèmes électroniques en puisant de manière opportuniste l’énergie du milieu environnant. Parmi les différentes sources disponibles (solaire,thermique etc.) les vibrations ambiantes sont susceptibles de fournir assez de puissance pour alimenter des microsystèmes autonomes tels que des noeuds de réseaux de capteurs communicants. L’enjeu consiste à concevoir des microgénérateurs effectuant la conversion de cette énergie mécanique ambiante en énergie électrique exploitable de manière optimale.Ces travaux de thèse proposent dans un premier temps un critère d’étude et de comparaison des performances des générateurs de types piézoélectriques ou électromagnétiques, à partir d’un modèle normalisé unifié. Dans un second temps, un circuit non linéaire d’extraction de l’énergie est étudié pour les générateurs électromagnétiques, et ses performances sont discutées en comparaison avec un circuit classique d’extraction de l’énergie. A partir de ces résultats, une nouvelle structure de générateur électromagnétique est conçue, optimisée puis validée expérimentalement.
Author: Mohamed Aymen Ben ouanes
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Languages : fr
Pages : 0
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Book Description
L'énergie vibratoire ambiante est une source d'énergie prometteuse pour alimenter les dispositifs électroniques à faible consommation. Se trouvant partout autour de nous, l'énergie vibratoire permet de rendre ces systèmes de plus en plus autonomes sans dépendre d'une source d'énergie extérieure ou un remplacement de leurs batteries. La communauté scientifique s'est alors penchée sur cette question. Ainsi, un ensemble de récupérateurs d'énergies vibratoires ambiantes a été développé se basant sur le principe de l'électromagnétique, de la piézoélectricité ou de l'électrostatique.Ces dernières années, le développement des technologies de fabrication des micros systèmes électromécaniques (MEMS) a permis aux transducteurs électrostatiques un accroissement lui permettant une intégration simple à l'échelle microscopique et un coût de mise en oeuvre bas. Cependant, l'énergie récupérée reste faible par rapport aux autres transducteurs. Les travaux qu'on propose dans le cadre de ce projet de thèse consistent à modéliser, concevoir, fabriquer et analyser un récupérateur d'énergie vibratoire ambiante optimisé, dont le principe de fonctionnement se base sur l'automatisation du générateur électrostatique développé par Abraham Bennet deux siècles auparavant.Notre dispositif est composé essentiellement de trois contacteurs mécaniques et de trois armatures placées l'une à côté de l'autre : Celle du milieu y oscille, induisant l'apparition de deux capacités variables évoluant en opposition de phase.La modélisation électrique de notre dispositif est réalisée d'abord pour un système idéal, puis pour un système plus réaliste prenant en compte des pertes électriques au niveau des contacts. A partir de la modélisation mécanique de notre système, permettant de simuler le comportement dynamique, nous avons développé un algorithme traduisant le comportement électromécanique de notre récupérateur d'énergie vibratoire. La validation de celui-ci est effectuée par sa confrontation avec les résultats mesurés expérimentalement. L'examen des données obtenues nous a permis d'analyser le fonctionnement et d'expliquer la saturation de récupération d'énergie observé.Nous avons par la suite expliqué et démontré les avantages liés à l'utilisation de contacteurs mécaniques par rapport aux diodes à travers une comparaison expérimentale entre chaque technique dans les mêmes conditions d'utilisation. L'effet de l'ajout d'une pastille triboélectrique a aussi été analysé expérimentalement à travers la variation du matériau et de son épaisseur. Enfin, l'impact de chaque paramètre extérieur sur les performances dynamiques du dispositif a aussi été étudié. Par ailleurs, et dans une perspective d'une meilleure optimisation, on a introduit une géométrie d'électrodes basée sur des dentures triangulaires. On a expliqué la technique adoptée pour le dimensionnement des dentures et on a observé l'impact de l'utilisation de cette géométrie sur les performances de notre récupérateur d'énergie vibratoire.
