Publication :
Récupération d'énergie mécanique à partir de sources vibratoires déterministes et aléatoires

En cours de chargement...
Vignette d'image
Date
2017
Direction de publication
Direction de recherche
Titre de la revue
ISSN de la revue
Titre du volume
Éditeur
Projets de recherche
Structures organisationnelles
Numéro de revue
Résumé
L'alimentation électrique d'un appareil électronique sans fil est souvent effectuée via une pile électrique. Une solution alternative pour produire une alimentation en continue est de récupérer l'énergie provenant des vibrations d'une structure mécanique. Il a déjà été démontré que le récupérateur d'énergie vibratoire classique est efficace uniquement lorsque la source d'excitation vibratoire a un contenu fréquentiel à bande étroite. Les sources vibratoires étant souvent composées d'un large spectre fréquentiel, le récupérateur classique est alors peu performant. L'objectif principal de cette thèse est donc de proposer et d'évaluer une architecture de récupération d'énergie permettant de récupérer efficacement de l'énergie provenant d'une source vibratoire dont le contenu fréquentiel est déterministe ou aléatoire. Une revue de documentation scientifique permet d'abord de classifier et de hiérarchiser les différentes stratégies qui ont déjà été proposées pour récupérer de l'énergie à partir des sources vibratoires les plus courantes. Basée sur cette revue, une architecture composée de plusieurs récupérateurs piézoélectriques couplés via des impédances électriques est ensuite proposée. Afin de prédire la densité de puissance adimensionnelle de cette architecture, un modèle électromécanique de celle-ci est développé puis validé expérimentalement avec un prototype composé de deux récupérateurs. Ce modèle est ensuite introduit dans une procédure d'optimisation qui maximise un critère de performances basé sur le type de source vibratoire d'excitation, soit une source stationnaire ou non-stationnaire. Les résultats d'optimisation sont par la suite analysés sous forme d'études paramétriques. Pour différentes sources vibratoires, ces études établissent l'influence de chacun des paramètres composant l'architecture sur ses performances tout en développant un outil de conception de l'architecture proposée. La première partie de ces études considère le cas où l'architecture est excitée par une source vibratoire harmonique tandis que la seconde partie le fait pour une source aléatoire stationnaire et non-stationnaire. Finalement, des cas d'application sont présentés pour démontrer comment utiliser l'outil de conception. Bien que les résultats obtenus dans ces cas ne soient pas généraux, il y est démontré que l'utilisation de l'architecture proposée permet d'augmenter la densité de puissance ou de l'uniformiser sur un plus large spectre fréquentiel : comparativement au récupérateur classique, une architecture de deux récupérateurs permet un gain de performances de 51% pour une source vibratoire harmonique, de 184% pour une source de type passe-bas et de 212% pour une source non-stationnaire.
The power supply of a wireless electronic device is often conducted via an electric battery. An alternative solution to produce a continuous supply is to harvest energy from the vibrations of a mechanical structure. It has already been shown that the classical vibration energy harvester is effective only when the vibration excitation source has a narrowband frequential content. Vibration sources are often composed of a broad frequency spectrum so the classic energy harvester is inefficient. The main objective of this thesis is to propose and evaluate an energy harvester architecture that would lead to efficient energy harvesting from a vibration source of any frequential content. A review of the scientific literature allows to classify and prioritize the different strategies that have previously been proposed to harvest energy from the most common vibration sources. Based on this review, a harvester architecture composed of several piezoelectric harvesters coupled via electric impedances is then proposed. To predict the dimensionless power density of this architecture, its electromechanical model is developed and experimentally validated with a two-harvester prototype. This model is then introduced into an optimization procedure that maximizes a performance criterion based on the type of vibration excitation source, which is either stationary or non-stationary. The optimization results are then analyzed as parametric studies. For various vibration sources, these analyses establish the influence of every architectural parameter on its performance while developing a design tool for the proposed architecture. The first part of these studies considers the case where the architecture is excited by a harmonic vibration source, while the second part deals with stationary and non-stationary random sources. Finally, case studies are presented to demonstrate how to use the design tool. Although the results obtained in these cases are not general, it is shown that the use of the proposed architecture increases the power density or uniformizes it on a broader frequency spectrum. Indeed, when compared to the conventional harvester, a two-harvester architecture enables a performance gain of 51% for a harmonic vibration source, 184% for a low-pass source and 212% for a non-stationary source.
Description
Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2016-2017
Revue
DOI
URL vers la version publiée
Mots-clés
Citation
Type de document
thèse de doctorat