Development of electromechanical hybrid structures for energy microsources
Développement de structures hybrides électromécaniques pour micro-sources d'énergie : générateurs piézoélectriques linéaires et non linéaires
Résumé
The implementation of wireless sensor nodes in industrial installations, transport or building is a potential route to increase the performances of these systems.By a proper supervision and exploitation of the collected information (temperature, vibratory level, humidity, etc.) the reliability and the energy performances can be increased. With the regular reduction of the power requirements for new generations of wireless sensors nodes, a strong scientific interest to develop autonomous power supply has raised.In this framework, a specific research topic appeared about ten years ago: ambient energy harvesting.The present work investigates the performances of an original micro-generator architecture for vibration energy harvesting: the “Hybrid Fluid Diaphragm” (HFD).The concept of HFD consists in encapsulating an incompressible fluid between two flexible membranes. The fluid behaves as an inertial mass which leads to a resonant frequency suitable for ambient vibrations whose spectrum is usually lower than a few hundred Hertz.These membranes are made of P(VDF-TrFE), a piezoelectric polymer, and are designed to ensure the optimal conversion of the mechanical solicitations (flexion/stretch) into electrical energy.A multiphysic modeling which integrates the fluid, the mechanical and the electric coupled behaviors is proposed.The realization and the characterization of two HFD's generators are detailed.A first prototype implements single layer piezoelectric membranes, whereas a second one uses optimized double layer membranes.The generated power appears to be sufficient to consider the power supply of wireless sensor nodes operating in intermittent transmitting mode. The very simple geometry of the proposed generators is favorable to their integration in realistic applications.
La mise en œuvre de réseaux de capteurs communicants dans des installations industrielles, dans les transports ou le bâtiment apparaît comme un axe de développement qui permettrait d'augmenter les performances globales de ces systèmes.Par une supervision et une exploitation adaptées des informations collectées (température, niveau vibratoire, humidité, etc.), la fiabilité et les performances énergétiques pourraient être optimisées.La diminution régulière de la consommation des nouvelles générations de capteurs sans fil engendre un fort intérêt scientifique pour l'alimentation de ceux-ci de manière autonome. Ainsi, une thématique de recherche spécifique est apparue il y a une dizaine d'années : la réalisation de micro-sources d'énergie pour l'alimentation de capteurs communicants.Ces travaux de recherche proposent l'exploration des performances d'une structure de micro-générateur originale pour la récupération de l'énergie des vibrations : l'"Hybrid Fluid Diaphragm" (HFD).Le concept de l'HFD consiste à encapsuler un fluide incompressible entre deux membranes.Le fluide se comporte comme une masse inertielle qui induit une fréquence de résonance compatible avec les vibrations ambiantes dont les fréquences sont généralement inférieures à quelques centaines de Hertz.Ces membranes en P(VDF-TrFE), un polymère piézoélectrique, ont été réalisées spécifiquement pour assurer la conversion optimale des sollicitations mécaniques (flexion/tension) en énergie électrique.Une modélisation multiphysique qui intègre les comportements fluidiques, mécaniques et électriques, la réalisation et la caractérisation de deux générateurs HFD sont détaillées.Le premier prototype met en œuvre des membranes piézoélectriques monomorphes (monocouche) tandis que le deuxième exploite des membranes piézoélectriques bimorphes (double couche) optimisées.Les puissances générées apparaissent suffisantes pour envisager l'alimentation de capteurs et leurs géométries permettent d'imaginer des scénarios potentiels d'intégration dans des applications réalistes.
Origine : Version validée par le jury (STAR)