Récupération d'énergie et contrôle vibratoire par éléments piézoélectriques suivant une approche non linéaire

Energy harvesting and vibration control using piezoelectric elements and a nonlinear approach

• Auteur / Autrice : Adrien Badel
• Direction : Manuel Lagache
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et matériaux
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Chambéry

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électromagnétisme

Théories non linéaires

Vibrations

Récolte

Énergie

Piézoélectricité

Résumé

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

This work is focussed on vibration control and energy harvesting using embedded piezoelectric elements. Several nonlinear processing of the piezoelectric voltage are studied and developed. These techniques result in a drastic enhancement of the conversion capabilities of the piezoelectric material. Vibration control techniques are generally described as active or passive. The passive techniques consist in connecting the piezoelectric elements to a passive electrical network. The active techniques require a bulky system built with at least a sensor, a control unit and a feedback actuator. In addition, external power sources and amplifier are needed for the control unit and the actuators. The studied nonlinear techniques, called SSD for “Synçhronized Switch Damping'' are described as semi-passive, because they don't require any external supply but perform a smart processing of the piezovoltage. These techniques are more effective and adaptable than the passive techniques. Moreover. They are easier to integrate than active techniques and exhibit comparable performances. A new approach to analyse the energy flow in a structure damped with theses nonlinear techniques is given, and several enhancements of these techniques are proposed. A new control law for complex signals and structures is notably described. The SSD techniques have been extented to energy harvesting. The proliferation of transducers and sensors integrated in many systems indeed raises the problem of wires installation for power supplies and data transmission. This explains the growing interest in miniature electrical generators enabling to power, for instance, a wireless transducer and a small infrared or radio data transmitter. For a low consumption system placed on a vibrating structure, the extraction of electrical energy using an embedded piezoelectric device is particularly well adapted to create an autonomous electrical power supply. The energy harvesting techniques derived from the SSD approach Iead to outstanding piezoelectric micro-generators, which allow to consider new self-powered devices with higher power supply requirements. It was shown that the extracted power can be multiplied by 10 compared to classical energy harvesting techniques, depending on the electromechanical structure and the mechanical excitation