Conversion d’energie vibratoire en energie electrique

Conversion d’energie vibratoire en energie electrique

Des sources d’énergies ambiantes sont omniprésentes dans notre environnement tel que l’énergie mécanique produit par de vibrations, l’énergie thermique obtenu par la chaleur et l’énergie solaire photovoltaïques émis par le soleil ou les lumières artificielles. Ce sont des ressources inépuisables par rapport aux énergies fossiles comme le charbon, le pétrole et le gaz naturel. La conversion de ces énergies inépuisables dites aussi énergies primaires en énergies électriques est particulièrement étudiée de nos jours pour accroitre l’autonomie des systèmes placés dans des milieux hostiles. Ce chapitre donne le principe de base de la conversion de ces énergies ambiantes en énergie électrique.

En premier, il y a le dispositif mécanique qui récupère, transforme et optimise l’énergie ambiante. C’est-à-dire que l’énergie mécanique ambiante sera quantifiée pour avoir une amplitude maximale. Ensuite, il y a le dispositif électromécanique qui absorbe l’énergie mécanique transformée puis la convertit en énergie électrique. On l’appelle aussi transduction. Cette unité est caractérisée par le type de générateur, son fonctionnement et les propriétés de matériau utilisé. L’énergie électrique obtenue est traitée dans une unité de transformation et optimisation électrique. Cette unité fait la conversion de l’énergie électrique récupérée en énergie utilisable.

C’est-à-dire que l’énergie électrique présentée par une tension sinusoïdale est transformée en tension continue. Puis, la tension obtenue est quantifiée par un circuit électrique. En fin, il y a l’unité de stockage de l’énergie. Elle va stocker l’énergie électrique dans un élément de type pile ou batterie. Des définitions généralisées de l’énergie et de la vibration vont être présentées en premier lieu dans ce chapitre. Puis, quelque source possible de vibration mécanique est citée. Le principe général de transformation d’une vibration en électricité est ensuite montré en utilisant un système inertiel résonant. En général, il y a trois types de conversion ou récupération d’énergie vibratoire en énergie électrique. Ce sont le récupérateur piézoélectrique, le récupérateur électromagnétique et le récupérateur électrostatique. L’explication de ces trois transformations est faite ainsi qu’une comparaison selon leurs efficacité de convertir une énergie basée sur les données recueillies pendant la littérature.

Définitions

Energie

Dans le domaine de la science, l’énergie est la capacité d’un système à produire du travail mécanique, à générer du courant électrique, à transmettre des informations ou encore agir en d’autre mode. On peut dire donc que la quantité d’énergie que possède un système représente la quantité de travail qu’il peut réaliser. Selon le dictionnaire Larousse, l’énergie est une grandeur physique, gardant la même valeur au cours de toutes les transformations internes du système (loi de conservation d’énergie) et exprimant sa capacité à modifier l’état d’autres systèmes avec lesquelles il entre en interaction. En respectant la loi de conservation, l’énergie correspond bien à la maxime « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme » attribué à Antoine de Lavoisier. C’est-à-dire que, l’énergie ne se perd, ne se crée mais se transforme. Ainsi, l’énergie vibratoire pourra par exemple se transformer en énergie électrique et la transformation inverse est également possible. Dans le système international, l’unité de mesure de l’énergie est le joule (J) venant du nom du physicien James Prescott Joule. Dans le cadre de l’utilisation plus courante, l’unité de l’énergie utilisée est en général le kilowattheure (KWh). Selon la définition de l’énergie, l’énergie vibratoire peut se définir comme la capacité d’un système à produire un mouvement vibratoire.

Vibration mécanique 

La vibration est un phénomène physique oscillatoire d’un corps en mouvement autour de sa position d’équilibre. Les termes utilisés pour décrire le mouvement de l’objet sont la fréquence, l’amplitude, l’accélération et son degré de liberté [1.10].

Fréquence
Un corps vibrant effectue un va-et-vient de part et d’autre de sa position d’équilibre. Un cycle complet de vibration est produit lorsque l’objet se déplace d’une position extrême à l’autre position extrême, puis revient au point de départ. Le nombre de cycles effectués par un objet vibrant pendant une seconde est appelé sa fréquence. L’unité de fréquence est l’hertz (Hz). Un hertz correspond à un cycle par seconde. Le mouvement est dit mouvement périodique si le mouvement se répète avec un cycle identique. La durée d’un cycle est appelée période. Ce type de mouvement se nomme oscillation ou mouvement oscillatoire.

Amplitude
Un corps vibrant se déplace sur une distance maximale de part et d’autre de sa position d’équilibre. L’amplitude est la distance comprise entre la position d’équilibre et la position extrême, d’un côté ou de l’autre, et elle est mesurée en mètres (m). L’intensité de la vibration dépend de l’amplitude.

Accélération (mesure d’intensité de vibration)
La vitesse d’un corps vibrant passe de zéro à une valeur maximale pendant chaque cycle de vibration. Elle est maximale lorsque l’objet passe par la position fixe naturelle qu’il occuperait en l’absence de vibration, en déplacement vers une position extrême. L’objet vibrant ralentit à mesure qu’il s’approche de sa position extrême, où il s’arrête, pour repartir ensuite dans le sens contraire vers la position fixe et l’autre position extrême. La vitesse de la vibration s’exprime en mètres par seconde (m/s). L’accélération est une grandeur qui indique dans quelle mesure la vitesse varie en fonction du temps. La mesure s’exprime en unités de vitesse (mètres par seconde) par seconde ou en mètres par seconde carrée (m/s2 ). L’accélération passe de zéro à une valeur maximale pendant chaque cycle de vibration. Elle augmente à mesure que l’objet s’approche de la position fixe qu’il occuperait en l’absence de vibration.

Notion de la résonance
Chaque corps tend à vibrer à une fréquence particulière appelée fréquence de vibration naturelle ou fréquence propre. La mesure de la fréquence de vibration naturelle varie en fonction de la composition de l’objet, de sa taille, de sa structure, de son poids et de sa forme. Si une force vibratoire est appliquée à un objet à une fréquence égale à sa fréquence propre, on obtient un état de résonance. Une machine vibrante transmet la quantité maximale d’énergie à un objet lorsqu’elle vibre à la fréquence de résonance de l’objet.

Degrés de liberté
La modélisation mathématique d’un système physique nécessite l’utilisation d’un ensemble de variables qui décrit le comportement du système. Le nombre minimum des variables indépendantes requises pour déterminer complètement les positions de toutes les parties d’un système à chaque instant est le degré de liberté du système. Une seule particule libre se déplace dans l’espace a trois degrés de liberté, et un choix bien approprie de coordonnées généralisées sont les coordonnées cartésiennes (x, y, z) de la particule par rapport à un repère fixe. Comme la particule se déplace dans l’espace, sa position est fonction du temps.

Energie électrique

L’énergie électrique désigne une énergie disponible sous forme de courant d’électrons ou d’électricité. Un courant électrique est obtenu lorsqu’on a un déplacement continu d’électrons dans un milieu. Cette énergie est utilisée directement pour produire de la lumière ou de la chaleur. L’énergie électrique n’est pas une énergie primaire comme les énergies fossiles et les énergies renouvelables. Elle dépend de ces énergies primaires pour la produire. Elle est donc le résultat d’une conversion énergétique qui est dans le cas de cette thèse obtenue par les vibrations mécaniques.

Sources des vibrations mécaniques

Plusieurs sources d’énergie vibratoire mécanique sont possibles, comme l’énergie mécanique provoquée par les diverses machines industrielles, les automobiles et les trains. Il y a aussi celles qui sont provoquées par des grandes infrastructures civiles telles que les ponts et les buildings. Les mouvements humains comme le mouvement des pieds et les articulations peuvent aussi être source de vibrations.

Vibration routière

Le passage d’un véhicule sur la chaussée exerce une contrainte au sol du à son poids. Le champ de contrainte va ensuite créer des vibrations. Les facteurs de création de la vibration routière peuvent être multiples. Il y a le type et le poids du véhicule, la vitesse du véhicule, les caractéristiques de la chaussée et la nature du sol. L’étude de la vibration induite sur les chaussées peut être utilisée dans plusieurs axes. Z. Ye, Y. Lu et L. Wang ont présenté une modèle numérique pour l’analyse des vibrations de la chaussée dues à la charge dynamique créée par un véhicule qui passe [1.11]. Un modèle de quart de véhicule a été utilisé pour déterminer la charge mobile du véhicule. Le résultat est utilisé pour transmettre une information sur l’état de service de la chaussée et aide à la prévision des dégâts. Les vibrations induites par la circulation routière peuvent impacter aussi les environnements au voisinage de la chaussé. Elles peuvent créer des effets néfastes comme les dégâts superficiels ou structurels aux structures avoisinantes, déstabilisations des sols lâches et dysfonctionnements des appareils sensibles. M. Mhanna a fait l’analyse des vibrations induites par le trafic routier et étudie l’efficacité de système de réduction de ces vibrations [1.12]. Autre que la réduction habituelle de la vibration induite routière (entretien périodique de la chaussée, limitation du poids et la vitesse des véhicules) .

Contrairement aux effets néfastes, les vibrations routières peuvent être récupérables en les convertissant en énergie électrique. A.T. Papagiannakisa a modélisé numériquement la répartition des contraintes dans un scénario de trafic routier donné et analysé la valeur de l’énergie électrique produite [1.13]. Les résultats obtenus montrent qu’on peut alimenter les feux de signalisation à LED et les capteurs sans fils intégré dans les structures de chaussées.

Vibration ferroviaire
Le train est un moyen de transport sûr et qui est encore utilisé actuellement, au tant dans le transport des marchandises que dans le transport des voyageurs. La vibration produite par le transport ferroviaire peut induire de problèmes environnementaux mais peut être aussi exploitée pour produire de l’électricité. M. Y. Gao a étudié la possibilité de récupérer une énergie à partir de la vibration des rails [1.14]. Il a utilisé un film PZT piézoélectrique fixé à l’extrémité du rail et une masse sismique montée à l’autre extrémité. Ce récupérateur est capable de collecter une énergie à basse fréquence (5 Hz à 7 Hz) et de faible vibration ferroviaire (déplacement du rail de 0,2 mm à 0,4 mm). Une puissance de sortie de 4,9 mW avec une impédance de charge de 100 ?Ω est obtenue. V. G. Cleante a étudié la quantité d’énergie mécanique potentiellement récupérable à partir de la vibration provoquée par le passage d’un train à différente vitesses [1.15]. Pour un train qui circule avec une vitesse de 190 km/h à 200 km/h, une énergie totale exploitable de 1,1 Jkg-1 est obtenue.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 CONVERSION D’ENERGIE VIBRATOIRE EN ENERGIE ELECTRIQUE
1.1 Introduction
1.2 Définitions
1.2.1 Energie
1.2.2 Vibration mécanique
1.2.3 Energie électrique
1.3 Sources des vibrations mécaniques
1.3.1 Vibration routière
1.3.2 Vibration ferroviaire
1.3.3 Vibration «humaine»
1.3.4 Vibration des structures civiles
1.4 Principe de base de la conversion d’énergie vibratoire
1.4.1 Structure élémentaire d’un système inertiel résonant
1.4.2 Puissance générée par le système inertiel résonant
1.5 Types de conversion d’énergie vibratoire en électricité
1.5.1 Conversion électromagnétique
1.5.2 Conversion électrostatique
1.5.3 Conversion piézoélectrique
1.6 Comparaison des 3 méthodes de conversion
1.6.1 Comparaison par densité d’énergie récupérable
1.6.2 Comparaison des revues par figure des mérites
1.6.3 Conclusion sur les méthodes de conversion
1.7 Extraction d’énergie électrique
1.7.1 Introduction
1.7.2 Technique standard
1.7.3 Technique SSHI
1.8 Système de stockage d’énergie
1.9 Conclusion et axe de la recherche
CHAPITRE 2 PHENOMENE ET CARACTERISTIQUE DE LA PIEZOELECTRICITE
2.1 Introduction
2.2 Historique et découverte de la piézoélectricité
2.3 Phénomènes physiques de la piézoélectricité
2.3.1 Effet piézoélectrique direct
2.3.2 Effet piézoélectrique inverse
2.4 Piézoélectricité au niveau atomique
2.4.1 Polarité moléculaire
2.4.2 Phénomène piézoélectrique
2.5 Symétrie et piézoélectricité
2.5.1 Piézoélectricité
2.5.2 Pyroélectricité
2.5.3 Ferroélectricité
2.6 Propriétés piézoélectriques et mécaniques d’un matériau piézoélectrique
2.6.1 Conversion électromécanique
2.6.2 Equations fondamentales de la piézoélectricité
2.6.3 Les constantes piézoélectriques
2.7 Mode de déformation des matériaux piézoélectriques
2.7.1 Mode longitudinale (mode d33)
2.7.2 Mode transversale (mode d31 ou mode d32)
2.7.3 Mode de cisaillement (mode d15)
2.7.4 Autres mode de déformation
2.8 Coefficient de couplage selon la déformation
2.9 Les matériaux piézoélectriques
2.9.1 Les cristaux piézoélectriques
2.9.2 Les céramiques piézoélectriques
2.9.3 Les polymères piézoélectriques
2.9.4 Choix du matériau piézoélectrique
2.10 Limites sur les matériaux piézoélectriques
2.10.1 Champ électrique
2.10.2 Température
2.10.3 Contrainte mécanique
2.10.4 Limites de puissance
2.11 Stabilités
2.12 Conclusion
CHAPITRE 3 MODELE ET ETUDE ANALYTIQUE D’UN CONVERTISSEUR D’ENERGIE VIBRATOIRE EN ENERGIE ELECTRIQUE PAR L’INTERMEDIAIRE D’UN MATERIAU PIEZOELECTRIQUE81
3.1 Introduction
3.2 Rappel sur la conversion en poutre encastré unimorph et bimorph
3.3 Choix du modèle
3.4 Conception et dimensionnement d’un récupérateur piézoélectrique 1-D
3.4.1 Conception et choix des matériaux
3.4.2 Dimensionnement
3.5 Modélisation analytique d’un récupérateur piézoélectrique 1-D
3.6 Optimisation de la puissance
3.7 Résultats du modèle à un degré de liberté
3.7.1 Présentation graphique et interprétation de la puissance
3.7.2 Présentation et interprétation du déplacement
3.7.3 Présentation et interprétation de la tension
3.7.4 Conclusion
3.8 Extraction d’énergie continue en modèle 1-D
3.8.1 Rappel du composant électronique utilisé dans l’extraction
3.8.2 Récupération d’énergie continue avec un circuit standard
3.8.3 Récupération d’énergie non linéaire SSHI
3.8.4 Comparaison de la puissance obtenu par les diverses techniques développées
3.9 Conclusion
CONCLUSION

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