Conception, modélisation et évaluation d'un générateur piézoélectrique à déclenchement thermomagnétique.

Design, modeling and evaluation of a thermo-magnetically activated piezoelectric generator

• Auteur / Autrice : Adrian Abdala Rendon hernandez
• Direction : Skandar Basrour
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nano electronique et nano technologies
• Date : Soutenance le 27/09/2018
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Techniques de l’informatique et de la microélectronique pour l’architecture des systèmes intégrés (Grenoble, Isère, France ; 1994-....)
• Jury : Président / Présidente : Vittorio Ferrari
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Adrien Badel, Jérôme Delamare
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Alain Giani, Mickaël Lallart

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie -- Conversion directe

Chaleur -- Récupération

Piézoélectricité

Générateurs électriques

Mots clés libres

Récuperation de l'énergie

Piezoelectricité

Microgénérateur

Déclenchement thermo-Magnétique

Modélisation par éléments finis

Capteurs autonomes

Energy harvesting

Piezoelectricity

Microgenerator

Thermo-Magnetic effect

Autonomous sensor

Finite Element Simulation

Résumé

La récupération d’énergie thermique peut être réalisée par de nombreuses techniques de transduction d’énergie. Les techniques directes de conversion d’énergie thermique en énergie électrique sont généralement les technologies les plus utilisées. Lorsque des générateurs miniaturisés son requis, des méthodes directes de conversion présentent des difficultés, y compris la nécessité des dissipateurs de chaleur volumineux ou la forte dépendance aux fluctuations de température rapides. Donc, les méthodes de conversion indirecte, comme la conversion d’énergie thermique à mécanique et puis mécanique à électrique sont présentées comme des alternatives aux récupérateurs d’énergie. Cette technologie ouvre une nouvelle ligne de recherche pour surmonter les contraintes des récupérateurs d’énergie à petite échelle. Même si leur rendement est relativement faible en raison des pertes liées aux étapes de conversion d’énergie, les générateurs d’énergie basés sur l’effet thermomagnétique présentent une densité de puissance élevée lors de leur miniaturisation. Néanmoins, peu de recherches sur la récupération d’énergie thermomagnétique à petite échelle ont été menées et aucune étude de faisabilité industrielle n’a été signalée jusqu’à présent. Ces travaux présentent la conception d’un générateur capable de convertir de faibles et de lentes fluctuations de température ambiante en électricité. L’effet thermomagnétique d’un matériau magnétique doux, à savoir l’alliage de fer et de nickel (FeNi) ainsi que la piézoélectricité sont la base de fonctionnement du dispositif. Cette thermo-magnétisation entraîne la conversion d’énergie thermique, sous la forme de fluctuations temporelles, en vibrations mécaniques d’une structure. La structure consiste en un bimorphe piézoélectrique (PZT). Le générateur a deux positions stables; la position ouverte et celle fermée. En modifiant la température de FeNi, l’interaction entre deux forces du système (forces magnétique et mécanique) amène le générateur à l’une de ses deux commutations. La température de Curie du FeNi étant proche de la température ambiante, des applications comme des dispositifs connectés portables peuvent être ciblées. Un modèle analytique est développé. Donc, une conception rapide du générateur est réalisée pour répondre aux cahiers des charges tels que: la température d’opération, la plage de températures, la réponse thermique, les capacités de conversion piézoélectrique, etc. De plus, des règles de conception ont été dérivées envers la réduction de la taille du générateur. Des modélisations par éléments finis sont développés sous ANSYS afin de valider notre modèle analytique simplifié. Ces modèles permettent aux concepteurs d’explorer d’autres matériaux et de faire des améliorations en utilisant des processus d’optimisation de la conception. Des prototypes des récupérateurs d’énergie atteignent des densités de puissance de 0.6μWcm^−3 pendant des commutations d’ouverture à 40°C et 0.02μWcm^−3 pendant des commutations de fermeture à 28°C. En réduisant la taille du générateur, des commutations d’ouverture à 31°C et des commutations de fermeture à 27°C, sont atteints. La distance initiale de séparation entre l’aimant permanent et l’alliage magnétique doux est identifiée comme une clé pour augmenter la capacité de conversion d’énergie du générateur. Un modèle équivalent électrique du générateur est développé afin de concevoir un circuit d’extraction d’énergie ainsi qu’un module de gestion d’énergie. Ce circuit est développé sous PSpice, permettant de mettre en œuvre des pertes liées aux matériaux (pertes mécaniques et diélectriques). Par le biais d’ajustement de courbe, ce modèle est capable de calculer des valeurs de pertes. Une analyse de la variabilité de la conception est réalisée afin d’explorer la faisabilité industrielle d’un tel générateur. Ainsi, la récupération d’énergie thermomagnétique peut concourir, pour la première fois, avec les thermo-générateurs les plus modernes.

Thermal energy harvesting can be realized by numerous techniques of energy transduction. Direct conversions of thermal to electrical energy are typically the most popular technologies used. When miniaturized generators are required, direct conversion methods present difficulties, including the need of bulky heat sinks or the strong dependence to rapid temperature fluctuations. Therefore, indirect conversion methods, like thermal-to-mechanical-to-electrical energy are presented as an alternative to thermal energy harvesters towards powering autonomous sensors. This disruptive technology opens up a new approach to overcome the limitations of miniaturized thermal energy harvesting systems. Even if having a relatively low efficiency due to losses linked to energy conversion steps, energy harvesters based on thermo-magnetic effect show a large power density upon miniaturization. Nevertheless, little research on thermo-magnetic energy harvesting at miniature scale has been conducted and no competitive electrical output has been reported until now.This work presents the design of a generator able to convert small and slow ambient temperature fluctuations into electricity. It exploits the thermo-magnetic effect of a soft magnetic material, namely, iron nickel alloy (FeNi) and piezoelectricity. Thermo-magnetization of FeNi is driving the conversion of thermal energy, in the form of temporal fluctuations, into mechanical vibrations of a structure. The structure consists in a piezoelectric bimorph (PZT) cantilever beam. The generator has two stable positions; open position and closed one. Curie temperature of FeNi being near to ambient temperature, applications like wearable connected devices may be targeted. By changing the temperature of the soft magnetic alloy, the interaction between counterbalance forces (magnetic and mechanical forces) leads the generator to one of its two commutations.Analytical model is developed in order to predict generator performance. Making use of this model, a rapid design of generator is conducted to fit custom requirements such as: temperature of operations, temperature range of operation, thermal response, piezoelectric energy conversion capabilities, etc.Additionally, main design rules were derived from the design parameters of the generator. Special attention was paid on how scaling down size affects the generator performance by using the analytical model.Finite element models are developed through ANSYS software in order to validate the analytical simplified model. They couple the thermal to magnetic field and then mechanical to electrical energy conversion is solved. This model allows designers to explore other materials and do improvements by using design optimization processes.First generation energy harvesting demonstrators achieve power densities of 0.6µWcm^-3 during opening commutations around 40°C and 0.02µWcm^-3 at closing commutations around 28°C. By reducing the generator’s size opening commutations at 31°C while closing commutations at 27°C are achieved. By modifying design parameters such as initial distance of separation between the permanent magnet and soft magnetic alloy is identified as a key to boost the energy conversion capability of the generator. Finally, electrical equivalent model of this thermo-magnetically activated piezoelectric generator is developed to design an energy extraction circuit and power management module. This circuit is developed in a unique software PSpice, to implement losses linked to materials (mechanic and dielectric losses). Making use of curve fitting processes, this model is able to find losses values. A variability analysis of the design is conducted by using the analytical model through Matlab in order to explore the feasibility of producing such a generator industrially. Thus, thermo-magnetic energy harvesting can compete for the first time with the state-of-the-art thermos-electrics.