Harvesting energy from temperature variations

par Akram Khodayari

Thèse de doctorat en Génie mécanique

Sous la direction de Daniel Guyomar.

Soutenue en 2009

à Villeurbanne, INSA .

  • Titre traduit

    = Récupération d'énergie à partir des variations de température


  • Résumé

    Dans le cadre de la récupération d'énergie pour les micro-générateurs (dispositifs sans fil et autoalimentés), ce travail explore les possibilités de récupérer de l'énergie pyroélectrique à l'aide de matériaux ferroélectriques. La source d'énergie est une variation temporelle de température. Dans un premier temps, la récupération d'énergie avec un matériau pyroélectrique linéaire (film PVDF) a été étudiée en utilisant la technique non linéaire du Synchronized Switch Harvesting on Inductor (SSHI). Cette technique a été développée originellement dans le cas de la récupération d'énergie piézoélectrique, et permet un gain considérable de l'efficacité de la récupération. Cette technique a été appliquée au cas pyroélectrique, et comparée avec une technique standard. Le rendement énergétique de ces 2 techniques a été comparé au cycle idéal de Carnot. La technique du SSHI avec des matériaux pyroélectriques est en pratique simple, mais la puissance récupérée et le rendement par rapport à Carnot sont faibles. Afin d'augmenter la conversion d'énergie, il a été étudié l'intérêt des transitions de phase ferroélectriques, au voisinage desquelles l'activité pyroélectrique et électrocalorique est maximale. Dans ce but, les transitions de phase du monocristal relaxeur Pb(Zn1/3Nb2/3)0. 955Ti0. 045O3 ont été utilisées en association avec le cycle thermodynamique d'Ericsson. Le rendement du cycle d'Ericsson utilisant la transition ferroelectrique-ferroelectrique (FE-FE) est beaucoup plus important que pour les techniques utilisant les propriétés linéaires des matériaux pyroélectriques. Il permet en effet d'augmenter d'un facteur 100 le rendement relatif à Carnot par rapport aux essais avec le film de PVDF associé à la technique SSHI. Enfin, pour une variation de température de 10 C, la puissance récupérée avec le cycle d'Ericsson associé à une transition de phase est 3 fois plus élevée que la puissance qu'on peut atteindre avec un dispositif de récupération thermoélectrique.


  • Résumé

    In the framework of energy harvesting for microgenerators (for wireless and self powered electronics), this PhD investigates the capabilities of pyroelectric energy harvesting using ferroelectric materials. The energy source in this work is a time varying temperature. First, the energy harvesting using a linear pyroelectric material (PVDF film) was studied using Synchronized Switch Harvesting on Inductor (SSHI) nonlinear technique. This technique has been firstly developed in case of piezoelectric energy harvesting, and allows a very large effectiveness enhancement. This technique was applied for pyroelectric energy harvesting, and it has been compared with Standard technique. Efficiencies of these techniques were compared with Carnot cycle. The SSHI technique with pyroelectric material is in fact straightforward, but the harvested power and efficiency related to Carnot cycle are small. In order to improve the energy conversion, it was investigated phase transitions at which the pyroelectric and electrocaloric activity are maximum. For this purpose, phase transitions of relaxor Pb(Zn1/3Nb2/3)0. 955Ti0. 045O3 single crystals were used associated with the thermodynamic Ericsson cycle. The efficiency of the Ericsson cycle using the ferroelectric-ferroelectric (FE-FE) transition is much higher than techniques using linear properties of pyroelectric materials (gain of a factor of 100 compared to PVDF associated to SSHI technique). Finally, for a temperature variation of 10°C, harvested power using FE-FE transition and Ericsson cycle could reach 3 times the power that could be obtained using a thermoelectric harvester.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (135 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 121-135

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  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées (Villeurbanne, Rhône). Service Commun de la Documentation Doc'INSA.
  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : C.83(3529)
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