MODELISATION ET COMPARAISON DES GENERATEURS ELECTROMAGNETIQUE, PIEZOELECTRIQUE ET ELECTROSTATIQUE

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Récupération d’énergie à partir des vibrations ambiantes

Un récupérateur d’énergie à partir de vibrations se compose typiquement de 4 unités : un dispositif mécanique permettant d’optimiser les vibrations mécaniques, un dispositif électromécanique dont l’objectif est de convertir l’énergie mécanique en énergie électrique ou un transducteur, un circuit électrique d’extraction qui va effectuer la conversion de l’énergie électrique récupérée en énergie électrique exploitable, et enfin un dispositif de gestion et stockage de l’énergie [1]. La structure classique d’un système de récupération d’énergie est présentée à la Fig. 1.3.
L’amélioration de la densité de puissance des générateurs et de leur bande passante nécessite l’optimisation de chaque unité de conversion. Beaucoup des récupérateurs d’énergie développés à ce jour sont basés sur un système mécanique résonant de type masse – ressort. Pour ces systèmes, plus le facteur de qualité mécanique est élevé, plus la puissance chute fortement dès que l’on s’éloigne de la fréquence de résonance du générateur. Des structures innovantes ont été développées dans le but de proposer une alternative à ces systèmes résonants, et d’élargir ainsi la plage d’application des microgénérateurs. Il y a des propositions par exemple d’ajuster la fréquence de résonance du générateur en fonction de la vibration extérieure, ou bien de juxtaposer une série de transducteurs à fréquences de résonance échelonnées dans l’objectif d’augmenter la bande passante récupérée.
Des systèmes de conversion électromécanique, et plusieurs différents modes de transduction ont été développés, dont les caractéristiques et différences seront détaillées dans le paragraphe 1.2.1.
Enfin, des groupes de recherche se sont focalisés sur l’amélioration du circuit d’extraction, développant des circuits permettant le moins de pertes possibles, ou basés sur des techniques non linéaires d’extraction de l’énergie. En effet la Fig. 1.4 montre les énergies mises en jeu lors du processus de récupération d’énergie.

Conversion électromécanique

De manière générale, les récupérateurs d’énergie vibratoire sont basés sur des systèmes résonants accordés à la fréquence de la source [7]. Récupérer le maximum d’énergie implique donc, une analyse poussée de la source vibratoire suivie d’un réglage fin de la fréquence de résonance du récupérateur. Plusieurs technologies ont été mises en jeu présentant différents avantages ou inconvénients, notamment selon l’application envisagée. Les plus classiques concernent l’exploitation de systèmes électromagnétiques, piézoélectriques ou électrostatiques.

Transduction électromagnétique

Un transducteur de type électromagnétique simple se compose d’un ou plusieurs aimants créant un champ magnétique constant, et d’une bobine plongée dans ce champ. Un système mécanique (classiquement résonant) tel qu’une poutre encastrée comme indiqué sur la Fig. 1.5 ou un ressort permet de générer un déplacement relatif u(t) entre l’aimant et la bobine lorsque le système est excité par une vibration y(t). Le changement au cours du temps du flux magnétique à travers la surface entourée par la bobine créé une tension V proportionnelle à la vitesse de changement du flux magnétique et au nombre de tours N de la bobine, selon la loi de Faraday.
Une culasse ferromagnétique peut éventuellement être ajoutée autour de l’aimant dans l’objectif de canaliser les lignes de champ. Il existe de nombreuses manières différentes de disposer le ou les aimants par rapport à la bobine. Les systèmes électromagnétiques présentent l’avantage d’une mise en œuvre simple, avec des éléments technologiquement bien connus et performants. Ils permettent de générer de forts niveaux de courant au détriment de tensions faibles. Ces systèmes sont en outre bien adaptés pour des vibrations de forte amplitude, telles que celles liées aux mouvements du corps humain. L’intégration à l’échelle micrométrique est à priori difficile, du fait des faibles performances des aimants de tailles micrométriques et de l’augmentation des pertes résistives lors de la miniaturisation. La figure 1.5 montre un exemple du transducteur électromagnétique. + +– Aimant Bobine

Transduction piézoélectrique

Les transducteurs piézoélectriques reposent sur la propriété qu’ont certains matériaux non conducteurs de se polariser électriquement sous l’action d’une contrainte mécanique (effet direct), et inversement de se déformer mécaniquement sous l’application d’un champ électrique (effet inverse). Dans le cas de la récupération d’énergie, l’effet piézoélectrique direct est généralement exploité en couplant une céramique PZT à une structure résonante qui lui impose une déformation. La structure mécanique est dans la majorité des cas une poutre encastrée, sur laquelle une ou plusieurs céramiques sont liées. Les vibrations de la poutre induisent une déformation du matériau piézoélectrique, créant ainsi sa polarisation. Les systèmes piézoélectriques contrairement aux systèmes électromagnétiques produisent de forts niveaux de tensions pour de plus faibles courants, et sont adaptés à des systèmes à faible amplitude de déplacement. Ils présentent l’avantage d’être plus adaptés aux techniques de fabrications MEMS et facilement miniaturisables. La figure 1.6 montre un exemple de la structure d’un transducteur piézoélectrique. + V –

Transduction électrostatique

Les générateurs de type électrostatique sont composés de deux plateaux électriques isolées entre elles et préchargées qui vont avoir un déplacement relatif l’une par rapport à l’autre sous l’effet des vibrations extérieures. Si le générateur opère à charge constante, la diminution de la capacité du générateur induite par la variation de distance entre les deux plaques, aura pour effet d’augmenter la tension aux bornes du générateur, et de ce fait augmente l’énergie potentielle stockée dans le condensateur. De la même manière, en fixant la tension, le mouvement des plaques a pour effet la production d’un courant dû au mouvement des charges.
Malgré une densité de puissance à priori moins importants qu’avec d’autres modes de transduction, et l’inconvénient de nécessiter une source de tension annexe, les générateurs de ce type présentent l’avantage d’être particulièrement bien adaptés à des réalisations de dimensions microscopiques, et ont donc fait l’objet de nombreuses réalisations avec des techniques de fabrication de type MicroElectroMecanicSystem(MEMS). La figure 1.7 montre des différents mécanismes électrostatiques.
a) Type de fermeture de l’intervalle : la capacité change en changeant l’espace entre les doigts ; b) Type de chevauchement d’avion : la capacité change en changeant la zone de chevauchement des doigts ; c) Type de fermeture hors-plan : la capacité change en changeant d’espace entre deux grandes plaques [8]
d) Autres modes de transduction
D’autres microgénérateurs font appel aux propriétés magnétostrictives des matériaux ferromagnétiques, c’est à dire leur capacité de se déformer sous l’application d’un champ magnétique. Le matériau le plus couramment employé, du fait de ses bonnes propriétés magnétostrictives, est le Terfénol D : à saturation magnétique, la déformation relative maximale de ce matériau peut atteindre 1,6 η. Dans le cadre de la récupération d’énergie, des générateurs ont été développés mettant en œuvre l’effet magnétostrictif seul.Par exemple Wang et Yuan ont exploité l’effet magnétostrictif inverse, en plaçant un matériau magnétostrictif directement sur une poutre [4]. La déformation du matériau, induite par la vibration de la poutre, génère un champ magnétique variable à l’intérieur d’une bobine, créant un courant électrique dans cette dernière par la loi de Faraday. Leur prototype récupère 200 et 0,15 V à 58 Hz.
Une deuxième approche pour l’utilisation des propriétés du Terfénol D est l’exploitation des contraintes importantes générées pour déformer un matériau piézoélectrique pris en sandwich entre deux plaques magnétostrictives. Ce type de convertisseur hybride PZT-Terfénol a par exemple été mis en œuvre par Dai, Wen, Li, Yang et Hang de l’Université de Chongqing en Chine, qui récupèrent une puissance de 1,1 mW pour 9.8 / 2 d’accélération, à 50 Hz [4].

Circuit d’extraction de l’énergie

L’énergie électrique générée par le transducteur n’est pas directement exploitable pour alimenter un dispositif de stockage. Un circuit d’extraction de l’énergie représenté sur la Fig.1.9 doit être utilisé, et ses performances optimisées pour convertir de manière optimale l’énergie récupérée. Son rôle principal est de convertir les tensions alternatives générées en tensions continues, d’adapter leurs niveaux à ceux nécessités par le système de stockage utilisé, et de les réguler de manière à générer des tensions indépendantes de la source ou des variations de charge. Enfin, les pertes engendrées doivent être minimisées et cette conversion doit être effectuée de manière autonome, c’est à dire sans nécessiter de source de puissance extérieure. La structure du circuit doit également tenir compte des caractéristiques électriques du générateur, par exemple de son impédance ou des tensions générées.
Le premier étage de conversion est composé d’un redresseur permettant de convertir les tensions alternatives générées aux bornes d’un élément piézoélectrique ou dans la bobine d’un générateur électromagnétique en tensions continues. Pour faire face aux faibles tensions générées par des générateurs électromagnétiques non optimisés, par des générateurs de type MEMS, ou sous faible amplitude de sollicitation, des solutions dédiées ont été développées permettant la conversion de très basses tensions. En 2007,Marzencki, Ammar et Basrour du laboratoire TIMA, de l’Institut Polytechnique de Grenoble, proposent un redresseur multiplicateur de tension basé sur des diodes à très faible tension seuil constituées par des transistors Dynamic Thresold MOS(DTMOS) [9]. Le générateur piézoélectrique et son circuit permettent de charger un supercondensateur même dans le cas de très faibles accélérations. Les faibles courants produits par les éléments piézoélectriques, et l’intégration CMOS des composants nécessite de réduire au maximum les pertes induites dans le circuit.
Dans un deuxième temps les tensions générées par un transducteur et redressées sont en général régulées par l’intermédiaire d’un convertisseur DC/DC. Cette étape permet d’adapter les tensions générées au niveau de la charge, ou bien de maximiser la puissance transférée de la source à la charge en adaptant l’impédance du circuit à celle du transducteur.

Systèmes de stockage et gestion de l’énergie

L’énergie récupérée par ces différents systèmes n’est pas suffisante pour pouvoir alimenter directement la plupart des systèmes électroniques. Il est donc nécessaire de stocker l’énergie et de l’accumuler jusqu’à ce qu’elle atteigne un niveau suffisant.
Le stockage de l’énergie permet aussi de suppléer les intermittences de production et de découpler énergie et puissance lorsque la puissance délivrée par l’accumulateur est supérieure à celle en sortie du convertisseur [10].
L’objectif d’une gestion d’énergie est d’optimiser la récupération d’énergie. Elle permet aussi d’éviter une surcharge ou décharge totale de l’accumulateur. Enfin, la gestion d’énergie est utile pour optimiser éventuellement la consommation (mode veille, stratégie interne, etc.). La solution la plus directe est de charger un condensateur fournissant la puissance durant de courtes périodes. En 2004, Sodano étudie la possibilité de charger une batterie rechargeable à partir d’éléments piézoélectriques pour s’affranchir des limites liées aux capacités de stockage d’un condensateur. Il montre la possibilité de charger une batterie de 40 mAh-1,2 V avec un élément piezoceramique en uniquement 30 minutes à la fréquence de résonance du système[11].
Un exemple d’un supercondensateur qui est montré à la Fig 1.10 (a) peut emmagasiner jusqu’à 5 Wh/kg et peut se décharger de quelques secondes à quelques heures voire quelques jours.
Il existe d’autres dispositifs électroniques de stockage d’énergie comme les piles électrochimiques. Les plus performantes sont au lithium et ils peuvent emmagasinées jusqu’à 500 Wh/kg et de très faible autodécharge. Un exemple d’accumulateur d’une pile au lithium intégrée est représenté sur la Fig. 1.10 (b).

Générateur électrostatique

La génération électrostatique consiste en deux plateaux séparés par diélectrique, qui se déplacent l’un par rapport à l’autre. Au fur et à mesure que les plateaux déplacent, l’énergie stockée augmente, fournissant ainsi le mécanisme de conversion mécanique à l’énergie électrique. Il existe deux principaux cycles de fonctionnement : à charge constante ou à tension constante.
Par exemple, dans un cycle à charge constante, les plateaux sont chargés lorsque ses capacités sont maximales puis isolées de sa charge et de la source de polarisation. La structure stocke alors une énergie initiale. Le mouvement mécanique imposé à la structure permet de faire varier la valeur de cette capacité. En effet, lorsque les armatures s’éloignent, la tension aux bornes de cette dernière augmente, vu que la charge est constante (Q = CV).
Finalement, les charges sont retirées de la structure sous sa capacité minimale. L’énergie électrique ainsi récupérée est plus importante que l’énergie initialement injectée. L’énergie électrique est amplifiée grâce à l’énergie mécanique.

Table des matières

INTRODUCTION
Chapitre I : GENERALITES SUR LA RECUPERATION VIBRATOIRE
I.1 Contexte générale
I.1.1Définition
I.1.2 Les réseaux de capteurs autonomes
I.1.3 Enjeux de la récupération d’énergie
I.1.4 Les sources ambiantes d’énergie
I.2 Récuperation d’energie à partir des vibrations ambiantes
I.2.1 Conversion électromécanique
a)Transduction électromagnétique
b)Transduction piézoélectrique
c)Transduction électrostatique
d)Autres modes de transduction
I.2.2 Circuit d’extraction de l’énergie
I.2.3 Systèmes de stockage et gestion de l’énergie
I.3 Conclusion
Chapitre II: MODELISATION ET COMPARAISON DES GENERATEURS ELECTROMAGNETIQUE, PIEZOELECTRIQUE ET ELECTROSTATIQUE
II.1Principe de fonctionnement
II.1.1 Générateur piézoélectrique
II.1.2 Générateur électromagnétique
II.1.3Générateur électrostatique
II.2 Modélisation normalisée d’un générateur piézoélectrique, électromagnétique et électrostatique
II.2.1 Modélisation normalisée d’un générateur piézoélectrique
II.2.2 Modélisation normalisée d’un générateur électromagnétique
II.2.3 Modélisation normalisée d’un générateur électrostatique
II.3 Puissance récupérée
II.4 Comparaison
II.5 Conclusion
Chapitre III :SIMULATION ET REALISATION D’UN SYSTEME DE RECUPERATION D’ENERGIE ELECTRIQUE PAR VIBRATION
III.1 Simulation
III.1.1 Equation piézoélectrique
III.1.2 Modèle mécanique et électrique d’un générateur piézoélectrique
a) Modèle mécanique
b) Modèle électrique
III.1.3 Modélisation de la tension générée par le dispositif piézoélectrique
III.1.4 Simulation
a)Schéma
b) Circuit d’extraction de l’énergie
III.2 Réalisation
III.3 Conclusion
CONCLUSION
ANNEXE 1 : CARACTERISTIQUES DE L’ELEMENT PIEZOELECTRIQUE SM111
ANNEXE 2 : DESCRIPTION DES VIBRATIONS
1-Vibration
a.Principe
b.Mesure de vibration
2- Description des vibrations
a. Logarithme
b. Niveau en décibel
c. Niveau d’accélération
d. Niveau de vitesse
e. Niveau du déplacement
f. Calcul des niveaux
ANNEXE 3: LES TECHNOLOGIES MEMS
1 – Introduction
2 – Les différents secteurs des MEMS
3 – Les principes physiques du microsystème
4 – Production des MEMS
REFERENCES

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