Contribution au développement d'un générateur piézoélectrique pour applications nomades

par Guylaine Poulin

Thèse de doctorat en Sciences appliquées. Génie électrique

Sous la direction de Emmanuel Sarraute.

Soutenue en 2004

à Paris 11 .


  • Résumé

    Avec l'expansion du marche des appareils electroniques portables et la diminution conjointe de leur consommation, l'idee de convertir l'energie des mouvements humains en energie electrique suscite un regain d'interet. Dans ce contexte, nous avons conÇu et realise un generateur piezoelectrique prototype, destine a alimenter des systemes portables dont la puissance est comprise entre 10 microwatts et 1 milliwatt. Les materiaux utilises sont des ceramiques pzt, fonctionnant en compression sous l'effet d'une contrainte de faible frequence (regime quasi-statique). Le generateur piezoelectrique est forme de trois parties : le dispositif mecanique d'application de la contrainte (dma), le systeme piezoelectrique (sp) et le systeme de recuperation (sr). D'une part, nous avons modelise le sp en regime quasi-statique afin de mettre en evidence ses caracteristiques de fonctionnement et d'estimer la puissance generee sous l'effet d'une contrainte d'amplitude et de frequence donnees. D'autre part, nous avons conÇu et realise deux maquettes experimentales, afin de demontrer la faisabilite d'un tel generateur. Avec la seconde maquette, la puissance delivree atteint 13,2 microwatts sur une charge de 100 kiloohms, pour une contrainte de frequence 55 hz et d'amplitude 2 n par ceramique. Enfin, nous avons mis au point un circuit electronique de recuperation, permettant d'accroitre l'energie electrique generee d'un facteur superieur a 10. Ce circuit a ete specialement conÇu pour le sp, dont les caracteristiques d'impedance et de courant sont particulieres. En outre, l'utilisation de composants a faible consommation est indispensable dans l'optique de realiser un generateur autonome.


  • Résumé

    The market of portable electronic devices has been strongly expanding for the last ten years, and their energy consumption has been decreasing in parallel. So the concept of harvesting mechanical energy in human environment arouses a renewed interest. In this context, we designed and tested a prototype piezoelectric generator harvesting the mechanical energy of voluntary human movements, in order to supply devices consuming between 10 microwatts and 1 milliwatt. The generator consists of three stages : a mechanical application device (mad) which transforms the human movement into a high amplitude constraint ; the piezoelectric device (pd), the parallel association of identical pzt ceramic bars working in compression ; the harvesting system (hs), an electronic circuit that converts the electrical energy in a suitable form to the targeted application. On the one hand, we modelled the pd working in 33 or 31 mode, at very low frequencies compared to the resonance frequency of the pd. With this quasi-static model, we estimated the electrical power delivered for a given constraint. On the other hand, we designed and produced two experimental devices in order to demonstrate the feasibility of the mad principle. With the second prototype, the pd delivers 13. 2 microwatts to a 100 kiloohms load, for a 55 hz and 2 n constraint on each piezoceramic. At last, we conceived an harvesting system, which increases the part of mechanical energy converted in electrical energy. This circuit has been elaborated especially for the sp, whose impedance and current level are specific. Moreover, the use of low consumption components is essential, with the aim to make an autonomous generator.

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Informations

  • Détails : 187 p.
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p.184-187

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  • Bibliothèque : Université Paris-Sud (Orsay, Essonne). Service Commun de la Documentation. Section Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 0g ORSAY(2004)62
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