Dispositifs innovants pour la récupération de l'énergie thermique

Innovative devices for heat energy harvesting

• Auteur / Autrice : Onoriu Puscasu
• Direction : Daniel Guyomar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energie/ Matériaux
• Date : Soutenance le 22/01/2014
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LGEF - Laboratoire de Génie Electrique et Ferroélectricité (Lyon, INSA) - Laboratoire de Génie Electrique et Ferroélectricité / LGEF
• Jury : Président / Présidente : Paul Muralt
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Guyomar, Paul Muralt, Elie Lefeuvre, Skandar Basrour, Philippe Coronel, Thomas Skotnici
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Elie Lefeuvre, Skandar Basrour

Mots clés

Mots clés contrôlés

Piézoélectricité

Chaleur -- Stockage

Mots clés libres

Energétique

Récupération d'énergie

Energie thermique

Bilame

Piézoélectricité

Energetics

Energy harvesting

Thermal energy

Bimetal

PiezoElectricity

Résumé

Le présent travail est une contribution au domaine de la récupération de l’énergie. La conversion mise en place est faite à échelle centimétrique, les puissances électriques produites étant suffisantes pour alimenter des dispositifs à basse consommation, comme par exemple les capteurs sans fil. Une technologie innovante pour la récupération de l’énergie thermique est proposée, l’objectif étant de fabriquer des dispositifs fins, flexibles et bas coût pour une utilisation sans radiateur. Le fonctionnement choisi repose sur une conversion de la chaleur en électricité en deux étapes : thermomécanique (réalisée avec des bilames thermiques) et mécano-électrique (réalisée avec des piézoélectriques). Plusieurs prototypes ont été élaborés, aboutissant à des dispositifs matriciels flexibles, d’une épaisseur de quelques millimètres et fonctionnant sans radiateur avec refroidissement par convection naturelle. Les signaux générés sont des pics de tension qui dépassent les 10 V, pour une puissance mécanique disponible autour de 200 µW à 75°C. Plusieurs études ont été réalisées pour l'optimisation des dispositifs et la caractérisation de leurs composants. Leurs lois d’échelle ont été déduites, prédisant un gain en puissance avec la miniaturisation. Des modèles ont été proposés pour le comportement du piézoélectrique et pour le comportement thermique d’un dispositif. Les premiers cas d’usage ont été identifiés et les premiers tests ont été faits dans les environnements proposés par des potentiels utilisateurs.

The present work is a contribution to the domain of energy harvesting. The developed conversion is made at centimeter scale, and the generated electrical power is sufficient for low power devices, as for example wireless sensor nodes. An innovative technology for heat energy harvesting is proposed, with the goal to fabricate thin, flexible, and low cost devices for a use without a heat sink. Their working principle relies on a two-step conversion of heat into electricity: thermo-mechanical (with thermal bimetals) and mechanoelectrical (with piezoelectrics). Several prototypes have been built, resulting in flexible matrix devices that are a few millimeters thick and work without a heat sink with natural convection. The generated signals are voltage peaks above 10 V, for an available mechanical power in the order of 200 µW around 75°C. Several studies have been done for the optimization of the devices and the characterization of their components. Scale laws have been established, and predict significant power gain with miniaturization. Analytical models have been elaborated for the behavior of the piezoelectric and for the thermal behavior of a device. The first use cases have been identified, and the first tests have been performed in environments proposed by potential end users.