Thermal energy harvesting from temperature fluctuations

par Hongying Zhu

Thèse de doctorat en Energie et systèmes

Sous la direction de Daniel Guyomar et de Sébastien Pruvost.

Le président du jury était Amen Agbossou.

Le jury était composé de Daniel Guyomar, Sébastien Pruvost, Amen Agbossou, Yves Bernard, François Bauer.

Les rapporteurs étaient Amen Agbossou, Yves Bernard.

  • Titre traduit

    Récupération d'énergie thermique à partir de variations de température


  • Résumé

    Le développement des équipements portables, des réseaux de capteurs sans fil et systèmes auto-alimentés d'une manière générale génère une forte demande pour les dispositifs de récupération de micro-énergie. Une des voies les plus intéressantes pour auto-alimenter des dispositifs consiste à développer des systèmes recyclant l'énergie ambiante afin de renouveler sans cesse l'énergie consommée par le dispositif. En dehors de la récupération d'énergie électromécanique, il est également intéressant de convertir l'énergie thermique, qui est «disponible» partout, en énergie électrique. Au cours de cette thèse, la conversion d’énergie thermique en énergie électrique fondée sur des variations temporelles de température a été développée et améliorée. Parmi les matériaux ferroélectriques, des monocristaux de PZN-4.5PT et le terpolymère P(VDF-TrFECFE) 61.3/29.7/9 mol % ont été choisis comme matériaux actifs en raison de leurs propriétés remarquables sous champ électrique. En utilisant des cycles thermodynamiques intelligents, par exemple, Ericsson ou à cycle de Stirling, l'efficacité de la conversion de l'énergie pourrait être considérablement améliorée. Dans la première partie, la récupération d'énergie pyroélectrique en utilisant des monocristaux de PZN-4.5PT a été principalement étudiée sous deux aspects: l'effet de fréquence et des transitions de phase sur les cycles d’Ericsson. Il a été montré que l'énergie récupérée diminue de façon non linéaire avec une augmentation de la fréquence. De plus, l’utilisation optimale des transitions de phase pendant le cycle d’Ericsson permet d’améliorer grandement l’énergie récupérée en choisissant une gamme de température de travail appropriée. A partir de ces résultats, deux cycles d’Ericsson asymétriques (LH et HL) ont été réalisés avec succès. Avec les monocristaux de PZN-4.5PT, le cycle HL est le cycle le plus efficace pour la conversion d’énergie thermique en énergie électrique. La deuxième partie traite de la récupération d'énergie électrostatique via la variation non linéaire de la capacité du terpolymère P(VDF-TrFE-CFE) 61.3/29.7/9 mol %. Un cycle d’Ericsson a été réalisé entre 25 et 0°C et comparé à sa simulation à partir de la valeur de la constante diélectrique sous champ électrique DC. La concordance entre la simulation et l’expérience a prouvé la fiabilité de notre évaluation théorique. A partir de la simulation, l'énergie récupérée augmente jusqu'à 240 mJ/cm3 en appliquant un champ électrique de 80 kV/mm. Des cycles de Stirling et d’Ericsson ont également été simulés sous différentes variations de température et champ électriques. L'énergie récupérée augmente avec l’accroissment de la variation de température et de la valeur du champ électrique appliqué et ceci quelque soit le cycle réalisé. Contrairement au cycle d’Ericsson, un cycle de Stirling peut récupérer plus d'énergie pour une même énergie injectée.


  • Résumé

    The development of portable equipments, wireless sensors networks and self-powered devices in a general manner generates a strong demand for micro-energy harvesting devices. One of the most challenging ways to self power devices is the development of systems that recycle ambient energy and continually replenish the energy consumed by the system. Apart from electromechanical energy harvesting, it is also interesting to convert thermal energy, which is “available” everywhere, into suitable electrical energy. In this thesis, the thermal to electrical energy conversion from temperature fluctuations was developed and improved, and the feasibility of this technique was also confirmed by implementing the experimental experiment. Among different ferroelectric materials, PZN-4.5PT single crystal and P(VDF-TrFE-CFE) 61.3/29.7/9 mol% were chosen as active materials due to their outstanding properties under electric field. By means of some intelligent thermodynamic cycles, e.g., Ericsson or Stirling cycle, which has been presented in previous research, the efficiency of energy conversion could be improved greatly. In the first part, pyroelectric energy harvesting on PZN-4.5PT single crystals with an Ericsson cycle was mainly investigated from two aspects: frequency effect and phase transitions. It was shown that the harvested energy demonstrated a nonlinear decrease with an increase of frequency, and the optimal use of the phase transitions during the Ericsson cycle could greatly improve the harvested energy by choosing the appropriate working temperature range. Based on it, two asymmetric Ericsson models (L-H and H-L cycles) were attempted successfully, and it was confirmed that the H-L cycle is the most effective thermal energy harvesting cycle for this material. The second part concentrated on electrostatic energy harvesting by nonlinear capacitance variation on P(VDF-TrFE-CFE) 61.3/29.7/9 mol% terpolymer. Ericsson cycle was tested experimentally between 25 and 0°C and compared with the simulation from dielectric constant values obtained under DC electric field. The identical result between simulation and experiment proved the reliability of our theoretical evaluation. It was found, from simulation, that the harvested energy increased up to 240 mJ/cm3 when raising the electric field at 80 kV/mm. The further study on Ericsson and Stirling cycle was also made under different temperature and electric field conditions for evaluation. The harvested energy increases with the rising of temperature variation and electric field in both cycles, but in contrast to Ericsson cycle, Stirling cycle can harvest more energy for the same injected energy.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées (Villeurbanne, Rhône). Service Commun de la Documentation Doc’INSA. Bibliothèque numérique.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.