Récolte d'énergie piézoélectrique à échelle méso pour un mouvement de rotation à basse fréquence

Meso-scale piezoelectric energy harvester for low-frequency rotational motion

• Auteur / Autrice : Chao-Ting Chen
• Direction : Dejan Vasic, Wen‐Jong Wu, François Costa, François Pigache
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique et électronique - Cergy
• Date : Soutenance le 04/11/2021
• Etablissement(s) : CY Cergy Paris Université en cotutelle avec National Taiwan Ocean University (Keelung, Taiwan)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes et applications des technologies de l'information et de l'énergie (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2002-....)
• Jury : Président / Présidente : Chih-kung Lee
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Costa, François Pigache, Junrui Liang, Dejan Vasic, Wei-Cheng Tian
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Junrui Liang

Mots clés

Mots clés libres

Rotation à basse fréquence

Frequency up-Conversion

Récupérateur d'énergie

Piézoélectrique

Conversion de fréquence

Piezoelectric

Low-Frequency rotation

Energy harvester

Résumé

Cette thèse visait à développer un PEH à mésoéchelle avec une forme de faisceau triangulaire pour convertir l'énergie de rotation en énergie électrique suffisante pour alimenter le SCMS. Tout d'abord, le dispositif PEH a été conçu, fabriqué et modélisé théoriquement pour la validation expérimentale ; puis, l'emballage a été miniaturisé. Le PEH proposé à l'échelle méso comprend un faisceau de dimensions 3,8 mm × 9 mm × 69 µm (largeur × longueur × épaisseur) et un aimant de pointe de dimensions 3,8 mm × 3,8 mm × 2 mm (longueur × largeur × épaisseur). Un film PZT de 9 µm d'épaisseur de haute qualité a été déposé en tant que couche active via la méthode de dépôt par aérosol. La forme triangulaire du faisceau a été confirmée pour améliorer l'énergie de sortie et la durabilité sous de grandes déformations. Un mécanisme de conversion ascendante de fréquence a été réalisé en utilisant deux aimants répulsifs pour accueillir des éoliennes PEH avec des vitesses de rotation variables. Lorsque la vitesse de rotation a été augmentée de 5 à 30 tr/min avec un espacement des aimants de 2 mm, la tension de sortie est passée de 9,0 à 9,6 V. Lorsque l'espacement des aimants a diminué de 3 à 1 mm, la tension de sortie maximale est passée de 2,73 à 13,58 V. Le modèle théorique du PEH non linéaire et de la force magnétique non linéaire a été établi sur PSIM et MATLAB/Simulink. Tous les ensembles de résultats expérimentaux correspondent bien au modèle théorique.De plus, pour évaluer l'énergie de sortie journalière, le PEH conditionné a été testé dans des conditions de rotation pratiques. Les résultats expérimentaux indiquent que l'énergie de sortie quotidienne du PEH emballé était d'environ 1,05 J, ce qui est significativement plus élevé que la consommation d'énergie quotidienne du SCMS auto-alimenté (0,2 J). L'effet pendulaire du PEH a été pris en considération et bien modélisé sur MATLAB/Simulink. Ainsi, le PEH proposé est une solution très prometteuse pour la surveillance autonome des éoliennes. Le PEH rotatif a été miniaturisé dans un boîtier d'un diamètre de 52 mm et d'une épaisseur de 14 mm.

This thesis aimed to develop a mesoscale PEH with a triangular beam shape to convert rotational energy into sufficient electric energy to power SCMS. First, the PEH device was designed, fabricated, and theoretically modeled to the experimental validation; then, the package was miniaturized. The proposed PEH in the mesoscale comprises a beam with dimensions of 3.8 mm × 9 mm × 69 µm (width × length × thickness) and a tip magnet with dimensions of 3.8 mm × 3.8 mm × 2 mm (length  width  thickness). A high quality 9-µm-thick PZT film was deposited as an active layer via the aerosol deposition method. The triangular beam shape was confirmed to improve the output energy and durability under large deformations. A frequency up-conversion mechanism was realized using two repulsive magnets to accommodate PEH wind turbines with varying rotational speeds. As the rotational speed was increased from 5 to 30 rpm with a magnet spacing of 2 mm, the output voltage increased from 9.0 to 9.6 V. As the magnet spacing was decreased from 3 to 1 mm, the maximum output voltage increased from 2.73 to 13.58 V. The theoretical model of nonlinear PEH and nonlinear magnetic force was established on PSIM and MATLAB/Simulink. All sets of the experimental results well fit the theoretical model.Furthermore, to evaluate the daily output energy, the packaged PEH was tested under practical rotation conditions. The experimental results indicate that the daily output energy of the packaged PEH was approximately 1.05 J, which is significantly higher than the daily energy consumption of self-powered SCMS (0.2 J). The pendulum effect of the PEH was taken into consideration and well-modeled on MATLAB/Simulink. Thus, the proposed PEH is a very promising solution for autonomous monitoring of wind turbines. The rotational PEH was miniaturized in a package with a diameter of 52 mm and a thickness of 14 mm.