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« Conception, modélisation et évaluation d’un générateur piézoélectrique à déclenchement thermomagnétique ».

Auteur : A. Rendon
Directeur de thèse : S. Basrour
Président du jury : V. Ferrari
Rapporteur(s) de thèse : A. Giani, M. Lallart,
Examinateur(s) de thèse : J. Delamare, A. Badel,
These de Doctorat Université Grenoble Alpes
Spécialité : Micro et Nano Electronique
Soutenance : 27/09/2018
ISBN : 978-2-11-129244-4

Résumé

La récupération d’énergie thermique peut être réalisée par de nombreuses techniques de transduction d’énergie. Les techniques directes de conversion d’énergie thermique en énergie électrique sont généralement les technologies les plus utilisées. Lorsque des générateurs miniaturisés son requis, des méthodes de conversion directe présentent des difficultés, y compris la nécessité des dissipateurs de chaleur volumineux ou la forte dépendance aux fluctuations de température rapides. Par conséquent, les méthodes de conversion indirecte, comme la conversion d’énergie thermique vers la mécanique et puis la mécanique vers l’électrique, sont présentées comme des alternatives aux récupérateurs d’énergie pour alimenter des capteurs autonomes. Cette technologie ouvre un nouvel axe de recherche pour surmonter les contraintes des systèmes de récupération d’énergie thermique à petite échelle. Même si leur rendement est relativement faible en raison des pertes liées aux étapes de conversion d’énergie, les capteurs d’énergie basés sur l’effet thermomagnétique présentent une densité de puissance élevée lors de leur miniaturisation. Néanmoins, peu de recherches sur la récupération d’énergie thermomagnétique à petite échelle ont été menées et aucune étude de faisabilité industrielle n’a été signalée jusqu’à présent. Ces travaux présentent la conception d’un générateur capable de convertir de faibles et lentes fluctuations de température ambiante en électricité. Ce générateur exploite l’effet thermomagnétique d’un matériau magnétique doux, à savoir l’alliage de fer et de nickel (FeNi) ainsi que la piézoélectricité. Lorsqu’un matériau présentant une thermo-aimantation est soumise à un champ magnétique externe et constant ainsi qu’à des variations temporelles de température, une force magnétique dépendante de la température est produite ; cette force déclenche le mouvement mécanique d’une structure. La structure consiste en un bimorphe piézoélectrique (PZT) en configuration poutre encastrée-libre. Le générateur a deux positions stables : la position ouverte et la position fermée. En modifiant la température de l’alliage magnétique doux, l’interaction entre deux forces du système (forces magnétique et mécanique) amène le générateur à l’une de ses deux positions. La température de Curie du FeNi étant proche de la température ambiante, des applications comme des dispositifs connectés portables peuvent être ciblées. Un modèle analytique est développé afin de prédire les performances du générateur. En utilisant ce modèle, une conception rapide du générateur est réalisée pour répondre aux cahiers des charges tels que : la température d’opération, la plage de températures de fonctionnement, la réponse thermique, les capacités de conversion piézoélectrique, etc. De plus, des règles de conception principales ont été dérivées à partir des paramètres de conception du générateur. Une attention particulière a été accordée à la manière dont la réduction de la taille du générateur affecte le comportement du générateur. Des modélisations par éléments finis sont développés sous ANSYS afin de valider notre modèle analytique simplifié. Ces modèles numériques prennent en compte le système multi-physique. Ces modèles permettent aux concepteurs d’explorer d’autres matériaux et de faire des améliorations en utilisant des processus d’optimisation de la conception. Des prototypes des récupérateurs d’énergie atteignent des densités de puissance de 0.88µWcm-3 pendant des commutations d’ouverture à 41°C et 0.03µWcm-3 pendant des commutations de fermeture à 24°C. En réduisant la taille du générateur, des commutations d’ouverture à 32°C et des commutations de fermeture à 29°C, sont atteints. Des paramètres de conception tels que la distance initiale de séparation entre l’aimant permanent et l’alliage magnétique doux sont identifiés comme une piste d’amélioration pour augmenter la capacité de conversion d’énergie du générateur. Enfin, un modèle équivalent électrique de ce générateur piézoélectrique à déclenchement thermomagnétique est développé afin de concevoir un circuit d’extraction d’énergie ainsi qu’un module de gestion d’énergie. Ce circuit est développé sous PSpice, permettant de mettre en œuvre des pertes liées aux matériaux (pertes mécaniques et diélectriques). En utilisant des processus d’ajustement de courbe, ce modèle est capable de retrouver les valeurs de pertes. Une analyse de la variabilité de la conception est réalisée en utilisant le modèle analytique sous Matlab afin d’explorer la faisabilité industrielle d’un tel générateur. Pour conclure, la collecte d’énergie thermomagnétique peut concourir, pour la première fois, avec les thermogénérateurs les plus modernes.

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