Conception d'un dispositif de récupération d'énergie vibratoire ambiante

Design devices for Vibration Energy Harvesting Applications

• Auteur / Autrice : Mohamed Aymen Ben Ouanes
• Direction : Philippe Basset
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, Optronique et Systèmes
• Date : Soutenance le 11/11/2019
• Etablissement(s) : Paris Est en cotutelle avec École polytechnique de Tunisie (La Marsa)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire électronique, systèmes de communication et microsystèmes - Laboratoire électronique, systèmes de communication et microsystèmes
• Jury : Président / Présidente : Najiba Bellaaj
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Basset, Sébastien Boisseau, Chokri Bouraoui, Fehmi Najar, Hatem Samaali, Dimitri Galayko
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sébastien Boisseau, Chokri Bouraoui

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie -- Conversion directe

Transducteurs électroacoustiques

Transducteurs piézoélectriques

Vibrations

Mots clés libres

Énergie vibratoire

Transducteur électrostatique

Doubleur de Bennet

Switches mécaniques

Vibration Energy Harvesting

Electrostatic transducer

Bennet's doubler

Mechanical switches

Résumé

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

Nowadays, the vibration energy is becoming a promising energy source to supply low consumption electronic devices. Being everywhere around us, this energy source makes these devices more autonomous without requiring any external power source or replacement of their batteries. Considering the economic advantages of this energy, scientists have recently developed a vibration energy harvesting devices that allow to supply autonomous low consumption electronic systems. To convert the energy from the mechanical domain into the electrical one, a transducer is used. This one can be based on electromagnetic, piezoelectric or electrostatic transduction mechanism. Among these ones, the development of the fabrication methods in the micro-scale allowed an increase of the electrostatic transducers. This latter, demonstrate an easily fabrication and implementation in microdevices.In this work, we propose to model, design, fabricate and analyze, an optimized vibration energy harvesting device based on the Bennet's doubler principle developed 2 centuries ago by Abraham Bennet.Our proposal consists to harvest the vibration energy in low frequency and in large bandwidth by automatization of the Bennet's doubler's cycle, which is realized by introducing self-synchronized mechanical switches. Our vibration energy harvester is composed by three electrodes, two fixed and a central one which moves in between. This creates two out-of-phase variable capacitors. The electrical modeling of the device is firstly performed for an ideal system, and after that for a more realistic one, which takes account the contact resistance. By modeling the mechanical behavior of our device, we developed an electromechanical algorithm that simulate its functioning. Its validation was done by comparing with experimental results.After that, we combined the numerical and experimental results to analyze the energy harvesting principle and the saturation phenomenon. The advantages of the self-synchronized mechanical switches use is also observed by a comparison with the use of diodes. The device is improved by adding a triboelectric patches, that induce an increase of charge generation. The advantages of the patch using is seen by the variation of the material and its thickness. Finally, we analyze outside parameters that impact the dynamic of the movable mass.Being on the optimization approach, we improve the efficiency of our harvester by acting on the capacitance variation. We introduce an electrodes based on triangular fingers. This electrode geometry takes the advantages of the gap-closing and area overlap designs. To ensure an optimal functioning, we sized the geometrics parameters of the fingers. After that, we analyzed the impact of this new electrode geometry on the energy harvested