Design of strongly coupled piezoelectric devices for broadband vibration energy harvesting
Conception de dispositifs piézoélectriques fortement couplés pour la récupération d’énergie vibratoire large bande
Résumé
Vibration energy harvesting focuses on using vibrations to power wireless sensors nodes in locations where batteries cannot be used or changed. In this context, the use of piezoelectric resonant structures enables to harvest significant electrical power. However, this performance is reached only over a very limited frequency band (typically a few percent of the resonance frequency of the harvester). In response to this problem, electrical techniques capable of tuning the resonance frequency of piezoelectric harvesters have been developed in recent years. In order to achieve an interesting operating frequency range through these techniques, piezoelectric harvesters must have a very strong global electromechanical coupling. This thesis therefore focuses on the modeling, design and characterization of very strongly coupled piezoelectric energy harvesters for broadband vibration energy harvesting. In this thesis, it is shown that the cantilever beam with a long proof mass at its free end is the most relevant configuration to optimize the global electromechanical coupling coefficient. The proposal and then the exploitation of a dedicated analytical model, allowed us to demonstrate the interest of the long mass. In particular, this model allows us to study the electromechanical aspects thanks to nondimensionalized parameters and to draw general conclusions on the design of very strongly coupled cantilevers. On another aspect, the work carried out shows that, for piezoelectric materials commonly used in energy harvesting, the global electromechanical coupling coefficient of a cantilevers is maximized when lateral deformations are minimized. This effect can be obtained by maximizing the width of the beam (plane strain state) or by attaching lateral bars to the beam. In order to validate experimentally the interest of a long proof mass, a harvester based on a very strongly coupled single crystal (PMN-PT) is proposed. Two harvesters based on ceramic material (PZT) are also proposed in order to show the influence of the beam with on the global electromechanical coupling coefficient. The harvesters tested with resistive loads under vibratory conditions suggest great potential for frequency tuning (more than 10% of their resonance frequencies). Within the framework of this research work, one of the prototypes was tested with a dedicated electrical management circuit allowing an automatic adjustment over a wide frequency band (more than 17% of the resonance frequency). Finally, a non-linear phenomenological model is presented at the end of this thesis. It allows to consider and understand the influence of mechanical and dielectric losses on the behaviour and performances (recovered power and bandwidth) of the harvesters.
La récupération d’énergie vibratoire s’intéresse à utiliser les vibrations afin d’alimenter des capteurs sans fil communicants à des emplacements où les piles et les batteries ne peuvent être employées ou changées. Dans ce contexte, l’utilisation de structures résonantes piézoélectriques permet de récupérer des puissances électriques importantes. Cependant, ces performances ne sont atteintes que sur une bande fréquentielle très limitée (typiquement quelques pourcents de la fréquence de résonance du récupérateur). En réponse à cette problématique, des techniques électriques capables d’ajuster la fréquence de résonance de récupérateurs piézoélectriques sont développées depuis quelques années. Pour atteindre une bande de fréquence de fonctionnement intéressante grâce à ces techniques, les récupérateurs piézoélectriques doivent présenter un très fort couplage électromécanique global. Cette thèse porte donc sur la modélisation, la conception et la caractérisation de récupérateurs d’énergie piézoélectriques très fortement couplés pour la récupération d’énergie vibratoire large bande. Dans cette thèse, il est montré que la poutre encastrée-libre (cantilever) comportant une longue masse mobile à son extrémité libre est la configuration la plus pertinente pour optimiser le coefficient de couplage électromécanique global. La proposition puis l’exploitation d’un modèle analytique dédié, nous a permis de démontrer l’intérêt de la longue masse. Ce modèle permet notamment d’étudier les aspects électromécaniques de manière adimensionnelle et de dresser des conclusions générales sur le dimensionnement de poutres très fortement couplées. Sur un autre aspect, les travaux réalisés montrent que, pour les matériaux piézoélectriques couramment utilisés en récupération d’énergie, le coefficient de couplage électromécanique global d’une poutre est maximisé lorsque les déformations latérales sont minimisées. Cet effet peut être obtenu par la maximisation de la largeur de la poutre (état de déformation plane) ou alors par la fixation de barreaux latéraux sur cette dernière. Afin de valider expérimentalement l’intérêt d’une longue masse mobile, un récupérateur à base de matériau monocristallin très fortement couplé (PMN-PT) est proposé. Deux récupérateurs à base de matériau céramique (PZT) sont également proposés afin de montrer l’influence de la largeur de la poutre sur le coefficient de couplage électromécanique global. Les récupérateurs testés avec des charges résistives en conditions vibratoires laissent présager de grands potentiels en matière d’ajustement de fréquences (plus de 10% de leurs fréquences de résonance). Dans le cadre de ces travaux de recherche, un des prototypes a notamment été testé avec un circuit de gestion électrique dédié permettant un ajustement automatique sur une large bande de fréquences (plus de 17% de la fréquence de résonance). Pour finir, un modèle phénoménologique non-linéaire est présenté à la fin de cette thèse. Il permet de considérer et de comprendre l’influence des pertes mécaniques et diélectriques sur le comportement et les performances (puissance récupérée et bande passante) des récupérateurs.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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