Dissertations / Theses: 'Linac à récupération d’énergie'

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Guyot, Coline. "Optimisation of electron beam performance for high peak current laser-plasma and multi-pass energy recovery accelerators with 6D tracking start-to-end simulations." Electronic Thesis or Diss., université Paris-Saclay, 2025. http://www.theses.fr/2025UPASP007.

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Abstract:

Dans la quête d'accélérateurs d'électrons plus compacts et moins consommateurs d'énergie, le courant crête tend à être augmenté pour différentes raisons. Dans le contexte de la thèse deux approches alternatives aux accélérateurs plus conventionnels sont explorées: laser-plasma et linacs à récupération d'énergie (ERL). Pour les accélérateurs à laser-plasma, le courant crête est dû à la durée extrêmement courte des paquets, tandis que pour le cas de l'ERL, le courant de crête est dû à la charge par paquet.Les faisceaux laser-plasma sont des faisceaux d'électrons atypiques en raison de leurs grandes dispersion d'énergie et divergences. Celles-ci influencent fortement leur transport, car cette combinaison conduit à de fortes corrélations entre les propriétés longitudinales et transverses. Les défis de design d'une ligne de transport compacte sont discutés, avec notamment la question des contraintes dues à la forte divergence et des conséquences de la focalisation sur la qualité du faisceau, ainsi que la sélection systématique de l'énergie qui peut être mise en œuvre. Les problèmes de variations d'un tir à l'autre des injecteurs laser-plasma sont également abordés grâce au système de sélection en énergie proposé ici. Dans ce contexte, un compromis entre la qualité du faisceau et la charge est également étudié.L'accélérateur multi-passages à récupération d'énergie a la particularité de combiner des difficultés des accélérateurs circulaires et linéaires. Le processus de récupération d'énergie impose également une phase d'accélération et de décélération avec une propagation du faisceau dans une structure multi-passages, où le faisceau doit être recirculé plusieurs fois dans des arcs dédiés lors des deux phases. L'évolution de l'espace des phases longitudinal est un facteur déterminant. La thèse met l'accent sur l'impact de la longueur des paquets sur le transport du faisceau et la conservation de sa qualité, avec un compromis entre les effets collectifs single-bunch, en particulier le rayonnement synchrotron cohérent, et les effets chromatiques afin de minimiser les pertes et de maintenir la qualité du faisceau
In the quest for more compact and less energy-consuming electron accelerators, the peak current tends to be increased for different reasons. The context of the thesis is to explore two alternative approaches to more conventional accelerators: laser plasma and energy recovery linacs ones. For laser-plasma accelerators, the peak current is due to the extremely short bunch duration whereas for the ERL case, the peak current is due to the charge per bunch. The goal of the thesis studies is to optimise the conditions of the electron beam transport while maximising their quality and minimising the losses, including higher order trackings both longitudinal and transverse as well as collective effects.Laser-plasma beams are atypical electron beams because of their large energy spread and divergence. These heavily influence their transport, as this combination leads to strong correlations between the longitudinal and the transverse properties. The challenges of designing a compact transport line are discussed with the constraints due to the high divergence and the consequences of the focusing on the beam quality as well as the systematic selection in energy that can be implemented. The shot-to-shot variations issues of laser-plasma injectors are also addressed through the energy selection system proposed here. In this context, a trade-off between beam quality and the charge is explored as well.Multi-pass Energy Recovery Accelerator has the particularities to combined difficulties of circular accelerators and linear ones without radiation damping. The energy recovery process also imposes an accelerating and decelerating phase of the beam propagation within a multi-pass structure, where the beam has to be re-circulated several times in dedicated arcs for both cases. A determinant factor is the evolution of the longitudinal phase space. A focus is done in the thesis on the impact of the bunch length on the beam transport and the conservation of its quality, with a trade-off between single-bunch collective effects, especially coherent synchrotron radiation, and chromatic effects to minimise losses and to maintain the beam quality

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Geisler, Matthias. "Récupération d’énergie mécanique pour vêtements connectés autonomes." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2017. http://www.theses.fr/2017GREAI090/document.

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Abstract:

La fonctionnalisation « intelligente » des vêtements et accessoires portés par la personne est un phénomène à croissance rapide. L’installation des smartphones dans le quotidien des personnes en une décennie à peine en témoigne. L’autonomie énergétique de ces systèmes est un enjeu important, tant en termes d’ergonomie que de ressources : l’usage de piles ou batteries électrochimiques à l’échelle de milliards d’objets connectés est difficilement envisageable. La récupération d’énergie se pose en alternative pour complémenter ou remplacer ces unités de stockages. Cette thèse explore plusieurs approches pour utiliser l’énergie mécanique de la personne afin d’alimenter un vêtement intelligent en énergie électrique.Après avoir identifié le besoin énergétique d’un vêtement connecté typique, et comparé les possibilités des récupérateurs d’énergie de la littérature, trois formats de récupérateurs d’énergie sont étudiés. Le premier est un générateur inertiel à induction résonant non linéaire, de la taille d’une pile AA et permettant l’exploitation des impacts des pas de la personne. L’étude porte essentiellement sur la modélisation et l’optimisation du système pour l’activité humaine. Le prototype associé présente une densité de puissance supérieure à 500µW/cm3 lors de la course à pied. Le second récupérateur étudié est aussi un générateur inertiel à induction. D’une forme « toroïdale », il exploite le balancier des membres de la personne, et est capable de produire des puissances supérieures au milliwatt lorsqu’il est fixé au niveau du pied ou du bras. Enfin, le troisième concept de récupérateur d’énergie proposé s’appuie sur la transduction électrostatique à capacité variable pour exploiter des déformations dans les vêtements. Le système associe la triboélectricité avec un circuit d’auto-polarisation passif, le doubleur de Bennet. Cette combinaison permet de polariser une capacité variable de façon importante, sans source de tension externe, et ainsi de maximiser l’énergie électrostatique générée. Le dispositif réalisé pour faire la preuve du concept produit ainsi plus de 150µJ par cycle. Cette architecture électrostatique ouvre d’intéressantes possibilités en matière d’ergonomie et d’intégration dans les vêtements. En effet, elle laisse entrevoir le développement de structures étirables et flexibles s’adaptant bien aux contraintes de cette application.La comparaison de ces trois approches est instructive quant aux perspectives de développement du domaine de la conversion de l’énergie mécanique de la personne
The functionalization of common objects in the human’s environment with electronics is a fast-growing trend, as demonstrated by the emblematic example of smartphones which became almost essential in the everyday life in less than a decade. One important stake of these systems is their power supply, in terms of ergonomics as well as resources: the use of electromechanical batteries to fuel billions of connected “things” is not the most attractive prospect. Energy harvesting techniques may provide an alternative or a complement to the use of these storage units. This thesis explores different structures of generators to efficiently convert the user’s mechanical energy to ensure the electrical self-sufficiency of smart wearables.Based on power requirement considerations for a typical “smart shirt” and comparing human energy harvesters from the literature, different structures are investigated. The first one is an inertial electromagnetic generator, the size of an AA-battery, designed to convert footsteps impacts. A thoroughly modelled and optimized device is able to generate power densities over 500µW/cm3 while attached on the arm during a run. The second considered energy harvester format is a “looped” inertial structure which is adapted to exploit the swing-type motions of the user’s limbs. This system is able to produce milliwatts-level powers from the motion of a small magnetic ball inside the device. Finally, a third generator concept that relies on electrostatic induction was developed, which uses variable capacitance structures to turn clothes deformations into electricity. The architecture of this energy harvester combines the triboelectric effect with a circuit of built-up self-polarization, Bennet’s doubler. It enables high levels of bias voltages without the need of an external source, and thus to maximize the energy generated per electrostatic cycle. A simple test device is shown to produce over 150µJ per cycle. This approach is promising in terms of integration in smart clothing, because it enables the development of flexible and stretchable devices well complying with the comfort requirements of worn systems.The comparison of those three energy harvesters provides an interesting basis for the future developments of energy harvesters converting one’s mechanical energy

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Salamon, Natalia. "Développement de systèmes de récupération d’énergie thermique." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2018. http://www.theses.fr/2018GREAI011/document.

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Abstract:

L’objectif du présent travail a été de concevoir et de fabriquer des dispositifs sur silicium pour convertir de l’énergie thermique en une énergie électrique en utilisant le changement de phase liquide-gaz dans le but de générer une variation subite de pression suivie d’une conversion d’énergie mécanique vers une énergie électrique à l’aide d’un piézoélectrique. La construction des dispositifs a dû rester simple, avec des matériaux courants et en respectant des limites dimensionnelles. Empreinte inférieure à un diamètre de 20 mm et une épaisseur en dessous des 2 mm.Les prototypes fabriqués sont composés de 3 plaques en silicium, contenant une chambre d’évaporation, une chambre de condensation et un canal réunissant les deux. Un transducteur piézoélectrique a été reporté sur la chambre de condensation et assure l’étanchéité ainsi que la génération d’énergie électrique.Le processus de conception inclut plusieurs étapes, dont la définition de la géométrie et du type de fluide de travail utilisé en tant qu’agent thermique. Le travail effectué a permis de sélectionner le type de piézoélectrique, sa taille ainsi que sa méthode d’intégration. Une étude a également été conduite pour déterminer la méthode optimale d’assemblage des plaques en silicium.La réalisation pratique des dispositifs a été orientée vers la sélection des meilleurs procédés technologiques pour la fabrication des structures. Toutes les expériences ont été conduites en salle blanche avec utilisation de l’oxydation humide, la photolithographie, la gravure KOH, ainsi que d’une technique d’assemblage des plaques silicium avec utilisation de la résine SU-8 comme couche intermédiaire. En plus, quelques outils spécifiques ont été conçus lors du présent travail, pour faciliter la fabrication des dispositifs, dont un système sous vide dédié à l’assemblage des plaques en silicium.Les dispositifs ont été testés afin d’établir leur mécanisme d’oscillation thermique ainsi que leurs propriétés électriques. L’influence tu taux de remplissage et de la température de surface chaude sur le signal en sortie ont également été étudiées. Le calcul de l’énergie générée a aussi été effectué. Dans la dernière partie de l’étude, des étapes d’optimisation pour les dispositifs développés dans le présent travail sont proposées
The goal of the present work was to design and fabricate a fully silicon oscillating device that converts thermal energy into electricity, applying phenomena of liquid to gas phase-change and piezoelectricity. It should be characterized by simplicity of construction, small size, and ease of manufacture. The diameter should not exceed 2 cm, while the thickness should be within 2 mm.The device was composed of three Si wafers comprising evaporation and condensing chambers, and the channel connecting these two elements. A PZT-based transducer mounted on top of the structure was applied to ensure energy conversion.The design process included the establishment of the device geometry, the type of the working fluid enclosed inside the system, a type, size and assembly technique of a piezoelectric element, as well as a bonding method of several silicon elements of the device.The practical realization of the designed prototypes was aimed at selecting the most suitable technological processes for structure fabrication. All the experiments had been performed in a clean room environment and employed wet oxidation, photolithography, a well-known, easily available wet chemical etching in KOH solution, and a silicon bonding technique with the use of SU-8 photoresist as an intermediate layer. Additionally, during the practical work a few tools have been designed and developed to enhance the device fabrication, amongst which a vacuum pump dedicated to bond the three silicon wafers as structural elements of the prototypesThe fabricated prototypes were tested in terms of oscillation mechanism and electrical properties. The influence of the filling ratio and the hot temperature value on the generated signal was established. Additionally, the power range of the prototypes has been evaluated. In the last part of the study, optimization steps for the devices developed in the present work have been proposed

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Belhora, Fouad. "Couplage multiphysique à l’aide d’électret application à la récupération d’énergie." Thesis, Lyon, INSA, 2013. http://www.theses.fr/2013ISAL0141/document.

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Abstract:

Les matériaux actifs, tels que les matériaux piézoélectriques et électrostrictifs, sont couramment utilisés dans la conception de dispositifs exploitant leurs propriétés respectives. La propriété principale de ces matériaux réside dans le fort couplage entre les comportements électrique et mécanique (piézoélectricité). Dans la majorité des cas, ces matériaux sont utilisés séparément. L’utilisation combinée de ces matériaux permet la réalisation de dispositifs innovants basés sur l’effet électrostrictifs: l’apparition d’une polarisation électrique induite par une contrainte mécanique et réciproquement l’apparition d’une déformation mécanique sous l’action d’un champ électrique. Les applications « support » concernent les capteurs et les actionneurs. L’étude de ce couplage passe par la caractérisation de ces matériaux, puis par la mise en place de modèles décrivant finement leurs comportements et enfin par le développement d’outils pour la conception. L’objectif de la thèse est de remplacer le matériau céramique, rigide et à faible déformation, par un film polymère nanocomposite électroactifs, présentant des grandes déformations et forces d'actionnement sous champ électrique modéré grâce à l'incorporation dans la matrice polymère de micro et nano-objets (charge) conducteurs ou semi-conducteurs. De plus, pour des applications plus spécifiques de la récupération d’énergie, la charge du film polymère par des micro et nano-objets conducteurs sera également étudiée. Idéalement, il serait très intéressant de réaliser un matériau multifonctionnel, sensible à la fois à une stimulation mécanique (propriétés de détection et/ou de récupération d’énergie par couplage électromécanique)
In the last decades, direct energy conversion devices for medium and low grades waste heat have received significant attention due to the necessity to develop more energy efficient engineering systems. A great deal of research has in recent years been carried out on harvesting energy using piezoelectric, electrostatic, electromagnetic , and thermoelectric ,transduction, with the aim of harvesting enough energy to enable data transmission. For this purpose, piezoelectric elements have been extensively used in the past; however they present high rigidity and limited mechanical strain abilities as well as delicate manufacturing process for complex shapes, making them unsuitable in many applications. Thus, recent trends in both industrial and research fields have focused on electrostrictive polymers for electromechanical energy conversion. This interest is explained by many advantages such as high productivity, flexibility, and processability. Hence, electrostrictive polymer films are much more suitable for energy harvesting devices requiring high flexibilities, such as systems in smart textiles and mobile or autonomous devices. Electrostrictive polymers can also be obtained in many different shapes and over large surfaces. . In the last years, electrostrictive polymers have been investigated as electroactive materials for energy harvesting. However for scavenging energy a static field is necessary, since this material is isotope, there is no permanent polarization compare to piezoelectric material. A solution for avoid this problem; concern the hybridization of electrostrictive polymer with electret. Finally, the implementation of electrostrictive materials is much simpler for small-scale systems (MEMS). Hence, several studies have analyzed the energy conversion performance of electrostrictive polymers, both in terms of actuation and energy harvesting

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Capitaine, Armande. "Récupération d’énergie à partir de piles à combustible microbiennes benthiques." Thesis, Lyon, 2017. http://www.theses.fr/2017LYSEI125/document.

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Abstract:

La récupération d'énergie ambiante est une solution efficace et respectueuse de l'écosystème pour alimenter de manière autonome des nœuds de capteurs. La pile microbienne benthique (BMFC) est un système récupérant l'énergie de la biomasse sédimentaire à l'aide du métabolisme électro-actif des bactéries présentes naturellement dans le milieu. Bien que prometteuse comme source d'énergie long terme pour des capteurs marins, ses niveaux de puissance (autour de 100 µW) et de tension (0,6 V en circuit ouvert) nous engage à mener une réflexion sur la conception de son interface électronique de récupération. La première partie de cette thèse détaille la conception de BMFCs de taille centimétrique faites en laboratoire en maintenant des conditions proches du milieu naturel. Une seconde partie s’intéresse à caractériser et modéliser le comportement électrique des BMFCs dans le domaine statique puis dynamique, en vue de concevoir le circuit de récupération de manière appropriée. A l’aide du modèle électrique statique, une interface de récupération est définie et optimisée de manière à extraire le maximum de puissance et maximiser le rendement de conversion. Le choix se porte sur le convertisseur flyback en mode de conduction discontinue. A l’aide d’un modèle prédisant les pertes du flyback validé expérimentalement, une étude portée sur la fréquence de découpage, le rapport cyclique et le choix des inductances couplées a permis d’atteindre un rendement de 82% et 64% pour une BMFC délivrant respectivement 90 µW et 30 µW. Une dernière partie s’intéresse à optimiser l’interface de récupération en prenant en compte les différentes variabilités de la BMFC. Notamment, l’intérêt du suivi du MPP est discuté et l’influence du comportement commuté du flyback sur les pertes dynamiques supplémentaires au sein de la BMFC est analysée grâce au modèle électrique dynamique de la BMFC déduit au second chapitre
Harvesting energy in the surrounding environment is an advantageous alternative to conventional batteries for powering autonomously remote sensors in addition to processing in an eco-friendly way. Many researches currently focus on harvesting energy from solar, thermal and vibrational sources scavenged in environments near the sensor. Less analyzed in the literature, the benthic microbial fuel cell (BMFC) is an emerging harvesting technology that exploits the waste materials in the seafloors. The catalysis properties of bacteria into a couple of redox reactions convert chemical energy from the sediment into electrical energy. Although promising as a long-term energy source for marine sensors, its power levels (around 100 μW) and voltage (0.6 V in open circuit) commit us to reflect on the design of its electronic harvesting interface. The first chapter of this thesis details the design of lab-made cm2-BMFC while maintaining conditions close to the natural environment. A second chapter focuses on characterizing and modeling the electrical behavior of BMFCs in the static and dynamic domains. Thanks to the static electric model, a harvesting electrical interface is defined and optimized to extract the maximum power and maximize the conversion efficiency. The flyback converter in discontinuous conduction mode is chosen. By using a model predicting the losses of the experimentally validated flyback, we studied the choice of the switching frequency, the duty cycle and the coupled inductances. We reached an efficiency of 82% and 64% for a BMFC delivering respectively 90 μW and 30 μW. A final chapter focuses on optimizing the harvesting interface by taking into account the different variabilities of the BMFC. In particular, the interest of the MPP monitoring is discussed and the influence of the flyback switched behavior on the additional dynamic losses within the BMFC is analyzed thanks to the dynamic electrical model of the BMFC deduced in the second chapter

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Iglesias, Sophie. "Composites conducteurs polymères hautement déformables pour la récupération d’énergie houlomotrice." Thesis, Lyon, 2018. http://www.theses.fr/2018LYSEI034/document.

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Abstract:

Ces travaux de thèse ont porté sur l’élaboration d’électrodes déformables pour la récupération d’énergie houlomotrice. En effet, la conversion de l’énergie mécanique des vagues en électricité est possible via un système entièrement souple et basé sur la technologie des polymères électroactifs (ou EAP). Ces matériaux ont la capacité de se déformer sous stimuli électrique, d’où la nécessité de développer des matériaux conducteurs déformables. Le matériau EAP choisi pour l’étude est un élastomère silicone. La formulation de composites à matrice élastomère silicone chargée en particules conductrices carbonées (graphite, nanofeuillets de graphite et nanotubes de carbone) est ainsi la piste suivie pour composer des électrodes déformables. Deux méthodes de mélange, en voie fondu, ont été explorées. La première utilise un mélangeur planétaire, et la seconde utilise en plus un mélangeur tri-cylindre. L’influence sur les propriétés électriques des composites, de la méthode de mélange, de la nature de la charge conductrice ainsi du taux de charges, a été analysée. Aussi, l’étude de la percolation électrique ainsi que l’étude des mécanismes de conduction mis en jeux dans les différents composites ont été réalisées, et complétées par l’observation de la morphologie en microscopie optique et en microscopie électronique. Le comportement mécanique des composites en traction a également été analysé. Enfin, les propriétés couplées électro-mécaniques des composites les plus prometteurs ont été testées. Les mesures permettent de proposer une formulation à base de nanotubes de carbone comme électrode déformable
This PhD work presents the development of stretchable electrodes for wave energy harvesting. Indeed, it is possible to convert the mechanical energy of the waves into electricity thanks to a flexible system based on electroactive polymer (EAP) technology. As EAPs have the ability to deform under electrical stimuli, deformable conductive materials are needed. In this study, the chosen EAP is a silicone elastomer. Composites formulated with silicone elastomer matrix filled with carbonaceous conductive particles (graphite, graphite nanoplatelets and carbon nanotubes) were thus developed. Two mixing methods, by melt compounding, have been explored. The first uses a planetary mixer, and the second uses a three roll-mill. The influence of the mixing method, the nature of the fillers and the filler rate on the electrical properties of the composites has been analyzed. The morphology, as well as the percolation and the conduction mechanisms have been studied. The tensile properties of the composites were also analyzed. Finally, the electromechanical coupled properties of the most promising composites were tested, allowing us to propose a formulation as a stretchable electrode

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Dufay, Thibault. "Etude de couches minces piézoélectriques flexibles pour la récupération d’énergie vibratoire." Thesis, Nantes, 2017. http://www.theses.fr/2017NANT4048/document.

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Abstract:

Le développement des capteurs autonomes et leurs applications dans les « smart-cities », nécessitent de nouvelles méthodes de production d’énergie, basées sur la récupération de l’énergie ambiante. Dans ce contexte, le projet N-air-J a pour objectif de réaliser des microgénérateurs,basés sur des films piézoélectriques flexibles, capables de récupérer l’énergie des courants d’airs. Les travaux réalisés dans cette thèse concernent la réalisation des couches minces piézoélectriques de zircono-titanate de plomb (PZT) déposées sur une feuille d’aluminium, ainsi que les caractérisations structurales, diélectriques, ferroélectriques, et piézoélectriques associées. L’optimisation du générateur est basée sur un procédé de transfert original du PZT depuis l’aluminium vers un substrat polymère. L’intérêt du transfert vers un substrat souple et isolant est de pouvoir réaliser une configuration d’électrodes interdigitées (IDE). Les propriétés de récupération d’énergie des deux configurations PZT/Al et PZT/polymère ont été testées, et la densité d’énergie produite est similaire à l’état de l’art pour des structures plus rigides. L’utilisation d’électrodes IDE a prouvé son intérêt par la génération d’une tension de sortie de plusieurs dizaines de volt. Un modèle analytique a été développé afin d’étudier le comportement de la poutre piézoélectrique utilisée dans ces travaux. Les études expérimentales ont permis de quantifier l’influence des frottements de l’air sur le comportement vibratoire de la poutre. La simulation de l’interaction fluide structure a montré la possibilité d’augmenter les déformations de plusieurs brins au sein d’un réseau de générateurs
New methods for energy generation based on the ambient energy harvesting are required for autonomous sensors development and their applications in the “smartcities”. In this context, N-air-J project aims to realize micro-generators based on flexible piezoelectric films, able to harvest energy from the breeze. The work presented in this thesis is about the deposition of lead zirconate titanate (PZT) thin layer on aluminium thin foil. Structural, dielectric, ferroelectric and piezoelectric characterizations were realized. The generator optimization is focused on the PZT transfer from aluminium to polymer substrate. The technological process has been developed for the transfer. The use of an insulating and elastic substrate is very interesting for the realization of an interdigitated (IDE) electrode configuration. Energy harvesting properties of the two configurations, PZT/Al and PZT/polymer, were tested. Energy densities were found similar to those of more rigid structures presented in the literature. The use of the IDE confirms its great interest by delivering a voltage of several tens of volts.An analytical model was developed to study the behaviour of the piezoelectric beam used in this work. Experimental studies quantify the influence of air friction on the beam vibratory behaviour. Fluid-structure interaction simulation has demonstrated the possibility for improving the deformations of several beams in a generators network

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Gusarov, Boris. "PVDF polymères piézoélectriques : caractérisation et application pour la récupération d’énergie thermique." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2015. http://www.theses.fr/2015GREAT091/document.

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Abstract:

Les travaux de cette thèse portent sur la caractérisation du polymères piézoélectriques de PVDF et celles de ses composites avec un alliage à mémoire de forme, pour des applications de récupération l'énergie thermique. Tout d'abord, une discussion est donnée sur les avancées actuelles des technologies de récupération d'énergie ainsi que leurs intérêts économiques. Des valeurs typiques de l'énergie pouvant être générée sont estimées, ainsi que des énergies nécessaires pour certaines applications.Une attention particulière est accordée aux principes de fonctionnement des matériaux pyroélectriques et piézoélectriques. Le PVDF et l'alliage à mémoire de forme NiTiCu sont également introduits.Des techniques de caractérisation adaptées sont introduites pour par voie direct caractériser le PVDF en tant que générateur de charges électriques, et son aptitude à la récolte de l'énergie thermique. Puisque le PVDF est un matériau très souple, la flexion à quatre points, la flexion sur tube, et la machine de traction sont utilisés pour étudier sa réponse piézoélectriques directe en mode quasi-statique, ainsi que les changements de propriétés piézoélectriques sous contrainte. Des mesures d'auto-décharge sous différents champs électriques appliqués, températures et contraintes sont effectuées pour étudier la stabilité du matériau.Un concept de récupération d'énergie utilisant des composites de matériaux fonctionnels de familles différentes est introduit. Ici, le couplage entre un matériau piézo-/pyroélectrique et un alliage à mémoire de forme est proposé. Le voltage pyroélectrique simple est combiné avec un voltage piézoélectrique induit par la transformation de phase de l'alliage à mémoire de forme, pour augmenter l'énergie totale générée par le système en chauffant. Une preuve de concept est présentée d'abord pour un matériau semi-flexible basé sur une céramique PZT, et ensuite pour le PVDF qui est entièrement flexible.Enfin, un circuit de gestion d'énergie a été conçu et intégré au récupérateur d'énergie en PVDF. Les hauts pics de tension générés lors du chauffage or refroidissement sont abaissés par un convertisseur de type buck à deux étages jusqu'au une tension de sortie utile stable. L'énergie de sortie est utilisée pour alimenter une carte d'émission sans fil. Ainsi, une chaîne complète de génération d'énergie, exploitant des variations de température et allant jusqu'au l'émission de données représentatives de l'événement thermique survenu est présentée.Les résultats de ces travaux concernent un large spectre d'applications potentiels, particulièrement les capteurs autonomes sans fil, et des objets de l'Internet of Things, avec une flexibilité mécanique élevée, une épaisseur réduite et de faible coût de maintenance
This work deals with the characterization of piezoelectric polymers PVDF and its composites with shape memory alloys, for thermal energy harvesting applications. First, we discuss current advancements on energy harvesting technologies as well as their economical interests. Typical values of energy that can be generated are given together with energies typically needed for applications.Particular attention is given to the functioning principles of pyroelectric and piezoelectric materials. PVDF and shape memory alloy NiTiCu are also introduced.Custom characterization techniques are introduced to characterize PVDF piezoelectric properties relevant to generator applications and to evaluate its suitability for thermal energy harvesting. Since PVDF is a very flexible material, four-point bending, tube bending and a tensile machine experiments are used to study its piezoelectric response in quasi-static mode, as well as changes in piezoelectric properties with increased strain. Self-discharge measurements under various applied electric fields, temperatures and strains are performed to study the stability of material.A concept of composite energy harvesting, utilizing two materials of different families, is introduced. Here, we propose the coupling of piezo-/pyroelectric material and shape memory alloy. The pure pyroelectric voltage is combined with generated piezoelectric voltage, induced by shape memory alloy transformation, to increase the total energy generated by the system during heating. The proof of concept is shown first for ceramic PZT-based semi-flexible material and then for fully flexible PVDF.Finally, a power management circuit was designed and integrated with the PVDF energy harvester. High generated voltage peaks at heating are lowered by a two-step buck converter to a useful stable output voltage. Output energy are used to power a wireless emission card. Thus, a complete power generation chain from temperature variations to data emission is presented.The results of this work concern a wide range of applications, especially modern autonomous wireless sensors and Internet of Things objects, with low profile, high mechanical flexibility and low maintenance costs

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Itani, Khaled. "Récupération d’énergie pour système intégré moteur roue, application au véhicule électrique." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2017. http://www.theses.fr/2017SACLN025/document.

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Abstract:

Le sujet de thèse aborde la quantification du flux de puissance parcourant les différents systèmes de conversion d'énergie statiques et dynamiques pour aboutir aux éléments de stockage de nature chimique / électrostatique / mécanique lors d'un freinage hybride récupératif brusque issu d’un véhicule électrique à traction avant. Le véhicule électrique est équipé de deux ensembles intégrés moteur-roues indépendants. Le côté commande des convertisseurs et des machines électriques sera aussi traité. La problématique concernera les cas de freinage régénératif brusque imposant des contraintes électriques et mécaniques élevées aux éléments de conversion d'énergie et de stockage. L'outil de simulation adopté est le logiciel Matlab/Simulink®. Un modèle assez fin du véhicule électrique utilisé sera développé afin de pouvoir simuler le comportement du véhicule conformément à la distribution des forces de freinage délivrée par le système de répartition et de quantification des forces de freinage. Une étude de la cinématique et de la dynamique du véhicule selon les différents états de route sera aussi examiné. Cette étude sera utilisée à posteriori dans la formulation des lois de distribution des forces de freinage. Les moteurs utilisés sont de type synchrones à aimants permanents intérieurs. L'objectif est d'assurer un couple électrique de freinage élevé à hautes vitesses de conduite du véhicule. A cette fin, la commande optimale de ces moteurs sera basée sur une nouvelle méthode de génération des courants de références assumant ainsi un couple régénératif élevé et donc une amélioration de l'énergie récupérée. Le système de stockage sera mixte et comportera une batterie Li-Ion et des cellules de supercondensateurs afin de réduire les contraintes sur la batterie et prolonger ainsi sa durée de vie. La structure de puissance de ce système sera analysée ainsi que le système de commande proposé du hacheur à 3 niveaux interfaçant l'ultracapacité avec le bus DC. Une résistance de freinage commandée par un régulateur pseudo-cascade sera aussi intégrée afin de réduire, si nécessaire, les contraintes sur la batterie. L'évaluation et la répartition des forces de freinage sur les quatre roues du véhicule en fonction de l'état de la route sont des éléments clés pour la stabilité du véhicule lors du freinage. La méthode de distribution et de quantification des forces de freinage proposée devra maintenir cette stabilité, répondre aux normes internationales et tirer profit de la présence des moteur-roues à l'avant du véhicule afin de maximiser l'énergie récupérée. Les travaux ont été étendus pour inclure une étude comparative avec un système de stockage contenant un élément de stockage à énergie cinétique comme source d'énergie secondaire pour un véhicule en opération de freinage et de traction. La thèse est le point de départ d'une collaboration de recherche entre l'IFSTTAR /Satie et le département de Génie Electrique du Cnam - Liban, centre associé au Conservatoire National des Arts et Métiers (Paris - France)
The thesis will address the quantification of power flow going through the different energy static and dynamic conversion systems to attain the chemical / electrostatic / mechanical storage elements during a hybrid regenerative brutal braking of a front-wheel driven electric vehicle. The electric vehicle is equipped by two integrated wheel-motors independent sets. The control of the converters and electrical machines is also treated. The problematic concerns the brutal regenerative braking case imposing high electrical and mechanical constraints on energy conversion and storage elements. The simulation tool adopted is Matlab/Simulink®. A detailed model of the used electric vehicle has been developed in order to be able to simulate the vehicle behavior with respect to the braking forces distribution delivered by the repartition and quantification of braking forces system. A study of the kinematics and dynamics of the vehicle according to different road types will be also considered. This study will be used retrospectively in the formulation of the braking forces distribution laws. The motors used are interior permanent magnet synchronous type. The objective is to ensure high electrical braking torque at high driving speeds of the vehicle. To this end, the optimal control of these motors will be based on a new current references generation method assuming then a high regenerative torque and therefore an improvement in the recovered energy. The hybrid storage system includes a Li-Ion battery and supercapacitors cells to reduce stress on the battery and to extend its life. The power structure of the system will be analyzed as well as the 3-level DC/DC converter interfacing the ultracapacitor with the DC bus proposed control system. A braking resistor controlled by a pseudo- cascaded controller will also be integrated to reduce, if necessary, the constraints on the battery. The evaluation and distribution of braking forces on the four wheels depending on road conditions are key elements for the stability of the vehicle during braking. The method of distribution and quantification of braking forces proposed should maintain this stability , meet international standards and take advantage of the presence of wheel motors in the front of the vehicle to maximize the energy recovered. The work has been extended to include a comparative study with a system containing a kinetic energy storage element as a secondary energy source for a braking and traction vehicle operation. The thesis is the starting point of a research collaboration between IFSTTAR / Satie and the Electrical Engineering Department of Cnam- Liban, associated center of the Conservatoire National des Arts et Métiers ( CNAM ), Paris, France

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Eddiai, Adil. "Caractérisation et modélisation des polymères électro-actifs : Application à la récupération d’énergie." Thesis, Lyon, INSA, 2013. http://www.theses.fr/2013ISAL0029/document.

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Abstract:

Le concept de la récupération d'énergie se rapporte généralement au processus d'utilisation de l'énergie ambiante, qui est converti, principalement (mais pas exclusivement) en énergie électrique pour faire fonctionner des dispositifs électroniques petites et autonomes. Les tendances récentes à la fois dans l'industrie et au domaine de la recherche ont mis l'accent sur les polymères électro-actifs pour la conversion d'énergie électromécanique. Cet intérêt s'explique par de nombreux avantages tels que la productivité élevée, la grande flexibilité, et la facilité de traitement. Le but de ce travail de recherche est d’explorer la potentialité des polymères électro-actifs pour une application de récupération d’énergie mécanique ambiante. Dans la première partie, une synthèse des composites à base de polyuréthane (PU) et de P(VDF-TrFE-CFE) a été réalisée, suivie d’une caractérisation électrique et mécanique de ces polymères et composites afin d’évaluer leurs paramètres intrinsèques. La seconde partie de ce travail de thèse concerne la caractérisation électromécanique de ces polymères. Un modèle analytique électromécanique est mise en place afin de déterminer finement le comportement physique des polymères électrostrictifs ainsi que les variations de leurs paramètres intrinsèques. Ce modèle analytique est validé par une série de tests à travers un banc d’essai. La dernière partie de ce travail consiste à évaluer les performances électromécaniques des polymères électrostrictifs pour la récupération d’énergie mécanique. Deux nouvelles techniques sont testées afin de maximiser la densité d’énergie récupérée. Ainsi qu’une comparaison avec les méthodes classiques a été réalisée. Un excellent potentiel de ces techniques pour la récupération d'énergie a été démontré. Le deuxième point porte sur l’étude de l’efficacité de la conversion électromécanique pour la récupération d’énergie mécanique en utilisant l'analyse spectrale FFT. Il a été montré que cette méthode permet de prévoir le rendement énergétique de nos polymères en accord avec les prédictions théoriques. Le dernier point se focalise sur l’amélioration de cette efficacité de conversion électromécanique en utilisant des électrets de polypropylène cellulaire, afin d’assurer un meilleur rendement énergétique
The concept of energy harvesting generally relates to the process of using ambient energy, which is converted, primarily (but not exclusively) into electrical energy in order to power small and autonomous electronic devices. Recent trends in both industrial and research fields have focused on electro-active polymers for electromechanical energy conversion. This interest is explained by many advantages such as high productivity, high flexibility, and processability. The purpose of this research work is to explore the potential of electro-active polymers for application of mechanical energy harvesting. At first, a synthesis of the composite based on polyurethane (PU) and P (VDF-TrFE-CFE) was performed, followed by electrical and mechanical characterization of these polymers and composites in order to evaluate their intrinsic parameters. The second part of this thesis concerns electromechanical characterization of these polymers. An electromechanical analytic modeling is detailed in order to determine the physical behavior of electrostrictive polymers and the variations of intrinsic parameters. This modeling is validated by a series of tests using a test bench. The last part of this work consists to evaluate the electromechanical performance of electrostrictive polymers for the mechanical energy harvesting. Two new techniques are tested in order to maximize the density of energy recovered. As well as a comparison against those classic has been performed. Excellent potential of these techniques for energy harvesting has been demonstrated. The second point is about the study of the electromechanical conversion efficiency for scavenging mechanical energy using spectral analysis FFT. It was shown that this method allows predicting the energy efficiency of our polymers, in accordance with the results predicted by the model. The last point focuses on improving the efficiency of electromechanical conversion by using cellular polypropylene electrets to ensure better energy efficiency

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El, Fatnani Fatima Zahra. "Récupération d’énergie issue des variations temporelles de la température par effet pyroélectrique." Thesis, Lyon, 2017. http://www.theses.fr/2017LYSEI088/document.

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Abstract:

Cette thèse, de nature expérimentale, rentre dans le cadre de la récupération d’énergie pour les micro-générateurs et l’autonomie des dispositifs électroniques à faible consommation. Ce travail propose les possibilités de récupérer de l’énergie thermique par effet pyroélectrique. L’éner- gie thermique à convertir est une variation temporelle de température. Nous avons proposé deux principales techniques pour produire de l’énergie électrique via une céramique pyroélectrique de type PZT. La première est centrée sur la récupération des radiations infrarouges associé à la tech- nique SSHI. Originellement, la technique SSHI a été développée dans le cas de la récupération d’énergie piézoélectrique, mais nous l’avons appliqué dans le cas de la pyroélectricité et qui nous a permis de maximiser la puissance récupérée d’un facteur de 2. La seconde technique proposée concerne la récupération des fluctuations thermiques provenant des mouvements convectifs nais- sant à l’intérieur d’un fluide dans la configuration de Rayleigh-Bénard. Nous avons mené plusieurs études pour augmenter le transfert convectif dans le but d’améliorer la réponse pyroélectrique et donc maximiser la puissance récupérée. Dans le cas des convections naturelles, le choix de fluide adéquat et l’optimisation des paramètres de contrôle de la configuration Rayleigh-Bénard consti- tuent des étapes primordiales pour aboutir à un meilleur transfert thermique par convection. Dans le cas des convections forcée, il a été étudié l’intérêt de disperser des particules de Cuivre de taille nanométrique dans un fluide porteur pour augmenter plus davantage le transfert convectif. Avec ce nanofluide, la réponse pyroélectrique a été maximisée d’un facteur de 10
This experimental thesis focuses on the energy harvesting for micro-generators and au- tonomy of electronic devices with low consumption. This work proposes the possibilities of har- vesting thermal energy by pyroelectric effect. The thermal energy to be converted is thermal fluc- tuations. We proposed two main techniques to generate electricity by pyroelectric ceramic. The first one focuses on the harvesting of infrared radiation associated with the SSHI technique. Ori- ginally, the SSHI technique was developed in the case of the piezoelectric energy harvesting, but we applied it in the case of pyroelectricity and which allowed us to maximize the harvested power by a factor of 2. The second proposed technique concerns the harvesting of thermal fluctuations resulting from convective movements originating inside a fluid in the Rayleigh-Bernard configu- ration. We have carried out several studies to increase the convective transfer in order to improve the pyroelectricresponse and maximize the harvested power. In the case of natural convection, the choice of a suitable fluid and the optimization of the control parameters of the Rayleigh-Bernard configuration are essential steps in order to achieve better heat transfer by convection. In the case of forced convection, it has been studied the advantage of dispersing copper nanoparticles in a pure fluid to increase the convective transfer. With this nanofluid, the pyroelectric response was maximized by a factor of 10

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Gasnier, Pierre. "Circuit de récupération d’énergie mécanique pour l’alimentation de capteurs communicants sans fil." Thesis, Grenoble, 2014. http://www.theses.fr/2014GRENT029/document.

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Abstract:

Que son intérêt soit environnemental ou économique, qu’elle s’applique aux macro, micro ou nano systèmes,la récupération d’énergie est une solution permettant de s’affranchir du remplacement, de la recharge ou même de l’utilisation de piles. Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’une collaboration entre Oxylane (Decathlon) etle CEA et son objectif est la conception d’un circuit électronique de gestion permettant de récupérer l’énergie mécanique humaine pendant une pratique sportive afin d’alimenter un capteur communicant sans fil. Le système électronique développé dans ce travail exploite l’énergie électrique issue de récupérateurs piézoélectriques,l’extrait et la met en forme grâce à une technique d’extraction efficace et un circuit de puissance approprié.Face au comportement aléatoire de l’être humain fournissant une énergie mécanique intermittente et irrégulière,la topologie Flyback et la technique d’extraction SECE ("Synchronous Electric Charge Extraction") sont utilisés. Le récupérateur est déchargé à son maximum de tension par l’intermédiaire d’une inductance couplée et de deux transistors MOSFETs commandés. Ce travail propose une nouvelle variante de SECE : la technique MS-SECE ("Multi-Shot Synchronous Electric Charge Extraction") permet de transférer l’énergie en plusieurs paquets afin de diminuer les pertes résistives ou le volume du circuit magnétique. Afin de satisfaire la contrainte d’encombrement de l’application visée par Oxylane, un circuit de récupération implémentant cette nouvelle technique est fabriqué en technologie intégrée CMOS 0,35 μm. L’ASIC possède une consommation très faible(1 μW) et commande le circuit de puissance et quelques composants discrets. De cette façon, l’énergie électrique est convertie efficacement vers une capacité réservoir sous 3V. De plus, grâce à ses deux modes de fonctionnement("passif non-optimisé" et "actif optimisé") utilisés successivement, le circuit démarre sans énergie initiale et fonctionne sans batterie rechargeable. Le système final est compatible avec une grande variété de récupérateur piézoélectriques, notamment lorsque leur tension de sortie est élevée (>50V), et permet l’autonomie en énergie d’un capteur communicant sans fil consommant environ 100 μW
No matter what its purpose is, economic or environmental, energy harvesting is a relevant solution to replaceor to get rid of primary batteries. This thesis is part of a collaborative laboratory between the CEA and Oxylane(Decathlon) and its aim is the design of a power management circuit which harvests mechanical energy fromhuman movements during sport practice in order to power aWireless Sensor Node (WSN). The electronic circuitwhich has been developed in this work recovers energy from piezoelectric harvesters, extracts and conditionsit thanks to an efficient energy extraction technique and to an appropriate power circuit. In response to therandom behavior of human body which supplies an intermittent and irregular energy, the Flyback topology andthe Synchronous Electric Charge Extraction technique (SECE) are employed. The energy harvester is dischargedat its maximum voltage through a coupled-inductor and two MOSFETs transistors. This work proposes a newextraction technique, derived from SECE : MS-SECE ("Multi-Shot Synchronous Electric Charge Extraction")transfers the energy in several magnetic discharges which decreases the resistive losses or the size of the magneticcomponent. In order to satisfy the size constraints aimed by Oxylane, an integrated circuit, fabricated in theAMS 0,35 μm CMOS technology, implements the MS-SECE autonomously. This very low power (1 μW) ASICcontrols the power circuit and a couple of external components. This way, the electrical energy is efficientlyconverted towards a buffer capacitor under 3V. Furthermore, thanks to its two operating modes (passive/nonoptimizedand active/optimized) successively employed, the circuit self-starts and works without battery orinitial energy. The complete system is compatible with a large variety of piezoelectric harvesters, especiallywhen their output voltages are large (>50V). Finally, it enables the complete autonomy of a WSN consumingaround 100 μW

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Wei, Jie. "Circuits de récupération d’énergie très basse puissance pour transducteurs à capacité variable." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2017. http://www.theses.fr/2017SACLS220.

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Abstract:

La récupération d'énergie mécanique de vibration à l’aide de transducteurs à capacité variable mène à l’étude de systèmes non linéaires complexes, mais présente des perspectives applicatives très prometteuses. Notre travail a porté sur l’étude d’une nouvelle famille de circuits d'interface pour transducteurs capacitifs. Entre autres avantages, ces circuits sont réalisables avec des rendements élevés à très basse puissance, typiquement dès quelques dizaines de nano-watts de puissance moyenne, ce qui les distingue des solutions présentées dans de l’état de l’art. De plus, Les circuits étudiés dans cette thèse ne contiennent aucun composant magnétique, ce qui constitue un atout considérable en termes de miniaturisation et d’intégration et permet eu outre la compatibilité avec l’imagerie par résonance magnétique. Les différentes structures qui constituent la famille de circuits proposés permettent de répondre à différentes contraintes imposées par le transducteur capacitif, en particulier le rapport des capacités maximale et minimale Cmax/Cmin. A partir d’une tension de sortie donnée, la tension appliquée sur le transducteur capacitif peut être modifiée en utilisant différents circuits ou en utilisant un circuit unique dont la topologie est modifiée à l’aide d’un interrupteur électronique. Les modèles théoriques développés prennent en compte le couplage électromécanique du transducteur de manière à décrire le comportement global des systèmes étudiés. Les circuits étudiés ont été validés expérimentalement avec deux transducteurs capacitifs de structure différente. En pratique, le rendement de ces circuits est proche de 80% pour des puissances converties aussi basses que la centaine de nano watts
The mechanic vibration energy harvesting using variable capacitance transducers leads to the study of complex nonlinear systems but has very promising application perspectives. Our work focused on the study of a new family of interface circuits for capacitive transducers. Among all the advantages, these circuits are achievable with high efficiencies at very low power, typically a few tens of nanowatts average power, which distinguishes them from the solutions presented in the state of the art. Moreover, the circuits studied in this thesis do not contain any magnetic components, which is a considerable asset in terms of miniaturization and integration and also allows compatibility with magnetic resonance imaging. The various structures which constitute the family of circuits proposed make it possible to satisfy various constraints imposed by the capacitive transducer, in particular, the ratio of the maximum and minimum capacities Cmax / Cmin. For a given output voltage, the voltage applied to the capacitive transducer can be varied by using different circuits or by using a single circuit whose topology is modified by the operation of an electronic switch. In order to describe the overall behavior of the studied systems, the electromechanical coupling of the transducer is taken into account in the developed theoretical models. The studied circuits have been validated experimentally with two capacitive transducers of different structure. In practice, the output of these circuits is close to 80% for converted powers as low as the hundred nanowatts

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Mousselmal, Hadj Daoud. "Conception de dispositifs piézoélectriques de récupération d’énergie utilisant des structures multidirectionnelles et nanostructurés." Thesis, Lyon, INSA, 2014. http://www.theses.fr/2014ISAL0124.

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Abstract:

Ces travaux de thèse portent sur le développement de nouveaux systèmes piézoélectriques récupérateurs d’énergie à partir de vibrations mécaniques environnementales. L’objectif recherché est d’apporter des solutions à certaines contraintes fortes liées à la miniaturisation de ces systèmes, en vue de leur intégration en technologie MEMS. Les 2 axes majeurs suivis lors de ces travaux sont :(i) la nanostructuration par porosification du substrat silicium. Ce procédé permet de créer des zones fonctionnalisées possédant des propriétés locales de masse volumique et de rigidité plus faibles que celles du substrat silicium. Ceci permet d’une part d’améliorer le coefficient de couplage électromécanique global de la structure et, d’autre part, de maintenir la fréquence de résonance du mode fonctionnel dans une gamme fréquentielle basse (< que 1KHz) compatible avec le spectre de nombreuses sources vibratoires usuelles. Une série de modélisation par éléments finis d’un convertisseur type (poutre avec masse sismique) a établi les paramètres dimensionnels optimaux de la zone nanostructurée. L’efficacité de ce procédé de nanostructuration localisée a ensuite été évaluée expérimentalement sur des membranes en silicium. Il a été observé une réduction de la fréquence de résonance du mode fondamental, tout en minimisant les pertes par un choix judicieux de l’emplacement et de la largeur de la zone poreuse. (ii) Le développement de dispositifs récupérateurs à sensibilité multidirectionnelle. Ces dispositifs permettent de récupérer l’énergie quel que soit la direction de la sollicitation externe. Ils exploitent 3 modes propres distincts de flexion sollicités chacun par une composante particulière (ax, ay ou az) du vecteur accélération caractéristique de la sollicitation. Ces dispositifs basés sur une structure planaire de type double poutres orthogonales avec masse sismique centrale sont facilement intégrables et peuvent être déclinés de l’échelle centimétrique à l’échelle millimétrique en utilisant dans ce cas les technologies de type MEMS. Un modèle analytique simple a d’abord mis à jour les mécanismes énergétiques qui permettent d’obtenir une quantité d’énergie constante lorsque le dispositif est soumis à un vecteur sollicitation de direction quelconque. L’optimisation du coefficient de couplage électromécanique de chaque mode fonctionnel, ainsi que l’ajustement de leur fréquence de résonance ont été obtenu à l’aide d’un modèle à éléments finis. L’ensemble de ces résultats théoriques a été expérimentalement validé à l’aide de prototypes centimétriques
This thesis work focuses on the development of new piezoelectric energy recovery systems from environmental mechanical vibration. The goal is to provide solutions to some strong constraints on the miniaturization of these systems, their integration in MEMS technology. The 2 major lines followed in this work are: (i) the nanostructuring by porosification silicon substrate. This method allows to create functionalized areas having local properties of density and lower rigidity than those of the silicon substrate. This allows on the one hand to improve the overall electromechanical coupling coefficient of the structure and, secondly, to maintain the resonant frequency of the operational mode in a low frequency range (< 1KHz) compatible with the spectrum of Many conventional vibratory sources. A series of finite element modeling of a type converter (beam with seismic mass) established the optimum dimensional parameters of nanostructured area. The effectiveness of this localized nanostructuring method was then evaluated experimentally on silicon membranes. It was observed a reduction of the resonance frequency of the fundamental mode, while minimizing losses by a judicious choice of the location and the width of the porous zone. (Ii) The development of recovery devices multidirectional sensitivity. These devices allow to recover energy regardless of the direction of the external load. They use 3 different eigenmodes bending each solicited by a particular component (ax, ay and az) vector solicitation characteristic acceleration. These devices based on a planar structure type double orthogonal beams with central seismic mass can be easily integrated and can be broken down to centimeter scale at the millimeter scale using in this case the MEMS technologies. A simple analytical model was first updated energy mechanisms that enable a constant amount of energy when the device is subjected to a bias vector in any direction. The optimization of the electromechanical coupling coefficient of each functional mode, and the adjustment of their resonance frequency were obtained using a finite element model. All these theoretical results has been experimentally validated using centimeter prototypes

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Morassi, Martina. "Croissance de nanofils InGaN pour les dispositifs de récupération d’énergie photovoltaïques et piézoélectriques." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2018. http://www.theses.fr/2018SACLS249.

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Abstract:

Les matériaux III-nitrures sont des excellents semi-conducteurs qui présentent plusieurs propriétés intéressantes pour les applications photovoltaïques et piézoélectriques. Au même temps, la croissance epitaxiale de ces matériaux sous forme de nanofil (NF) est de tant en plus intéressant, car les NFs nitrures binaires et heterostructurés, ont une qualité cristalline supérieure comparés aux homologues 2D et massifs. Dans ces contextes, ce travail est axé sur la croissance par MBE assistée par plasma (PA-MBE) de NFs InGaN/GaN et leur caractérisation. Trois sujets principaux ont été abordés: l'étude de la croissance d’heterostructures InGaN axiales par PA-MBE, leur caractérisation optique, et l'étude de la croissance sélective de NFs GaN sur graphène transféré. Ces études m’ont permis d’obtenir un control rational sur le mode de croissance d’heterostructures InGaN dans une large gamme de teneurs d’In (jusqu'à ~ 40%) et morphologies, de étudier leur structure de bande axiale, utile pour la conception optimale de la structure p-i-n photovoltaïque, et de démontrer pour le première fois dans la littérature, que l’épitaxie sélective de NFs de GaN sur MCG lithographié est une route possible et très promettent pour améliorer leur homogénéité. Ainsi, des tests préliminaires ont montré que la capacité de piézo-conversion des NFs GaN peut être améliorée d'environ 35% lors de l'intégration d’une insertion InGaN riche en In dans leur volume.Tous ces résultats constituent un ’étape décisive dans le contrôle et la comprension des propriétés de ces nanostructures, et donnent des perspectives très encourageantes pour leur intégrations dans des nano-générateurs à haute efficacité
III-nitride materials are excellent semiconductors presenting several interesting properties for photovoltaic and piezoelectric applications. At the same time, the epitaxial growth of these materials in the form of nanowires (NW) is even more interesting, because binary and heterostructured III-N NWs have a higher crystalline quality compared to the 2D and bulk counterparts. In these contexts, this work focuses on the plasma-assisted MBE (PA-MBE) growth of InGaN / GaN NWs and their characterization. Three main topics are addressed: the growth of axial InGaN heterostructures by PA-MBE, their optical characterization, and the study of the selective area growth (SAG) of GaN NWs on transferred graphene. These studies allowed me to obtain a rational control on the growth mode of InGaN heterostructures in a wide range of In contents (up to ~ 40%) and morphologies, to study their axial band edge profile, useful for the optimal design of the photovoltaic structure, and to demonstrate for the first time in the literature, that the SAG of GaN NWs on patterned mono-layer graphene is a possible and very promising strategy to improve their homogeneity. Also, preliminary tests have shown that the piezoelectric conversion capacity of GaN NWs can be improved by about 35% when integrating an In-rich InGaN insertion into their volume.All these results constitute a decisive step in the control and the comprehension of the properties of these nanostructures, and establish very encouraging perspectives for their integration in novel and efficient photovoltaic and piezoelectric nano-generators

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Lagarenne, Denis. "Récupération d’énergie par les régénérateurs de chaleur des fours de verrerie : expérimentation, modélisation, optimisation." Lyon, INSA, 1990. http://www.theses.fr/1990ISAL0052.

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Abstract:

Cette étude concerne la récupération d'énergie par des régénérateurs , échangeurs de chaleur à haute température, utilisés dans l'industrie du verre. Des essais sont menés en conditions réalistes sur un régénérateur d'échelle industrielle spécialement conçu et réalisé pour cette étude. Une instrumentation abondante permet une caractérisation globale et une description locale approfondie du système. Différentes méthodes d'évaluation de la performance thermique s ont comparées. Les mécanismes d' échange de chaleur sont analysés ; les phénomènes de convection mixte sont notamment pris en compte. Un nouveau logiciel de simulation thermique transitoire est validé pas l'expérience et une géométrie originale de surface d 'échange est développée pour intensifier les transferts
[This study deals with energy recovery in high temperature regenerators of glass industry. Experiments are performed in real conditions, on an full industrial scale regenerator , specially designed and built for this stud. The measurements allow on investigation of the whole s stem and an original local description of the heat exchanger. Different methods are used to calculate the thermal performance of the regenerator The heat transfer mechanisms are analysed with some mix convection phenomenon. A new transient thermal simulation has been developed. The model is justified by the experiments. A new geometry of heat transfer surface is proposed to optimize the energy recovered. ]

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Kharrat, Ines. "Modélisation et réalisation d’un système de récupération d’énergie imprimé : caractérisation hyperfréquence des matériaux papiers utilisés." Thesis, Grenoble, 2014. http://www.theses.fr/2014GRENT106/document.

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Abstract:

Les travaux présentés dans ce mémoire s'inscrivent dans la thématique de la récupération d'énergie hyperfréquence, appliquée à la réalisation d'un circuit électronique imprimé sur papier permettant l'alimentation d'afficheurs électrochrome, ceci dans le cadre de la lutte contre la fraude. Cette étude porte plus particulièrement sur la conception, l'optimisation et la réalisation de rectennas (rectifying antennas) imprimées sur support cellulosique et réalisées avec des méthodes d'impression industrielles.La caractérisation des matériaux diélectriques (support papier) et conducteurs a été développée. L'association de la technique des lignes de transmission et de la cavité résonante a permis la caractérisation d'un substrat souple et non cuivré sur une bande de 500 MHz à 3 GHz. Le papier présente des pertes diélectriques contraignantes pour la conception de circuits en hautes fréquences. Un choix judicieux du substrat et une conception optimisée du circuit ont permis de réaliser des circuits de conversion d'énergie sur papier à l'état de l'art international.Deux rectennas compactes ont été développée, en technologie micro-ruban, optimisées et imprimées avec la méthode flexographie utilisant une unique couche d'encre conductrice. Elle fonctionne à 2.45 GHz et elles ne contiennent pas de vias de retour à la masse ni de filtre côté HF, ni de filtre côté DC. La première a été imprimée sur papier carton ondulé. Les tensions de sortie aux bornes de l'afficheur atteignent les 0.5 V pour des niveaux de puissance à l'entrée de la rectenna de l'ordre de -10 dBm. La deuxième rectenna a été imprimée sur support plastique flexible ayant 100 µm d'épaisseur afin de réaliser des rectennas 3D. Une tension DC de 1 V a été mesurée aux bornes de l'afficheur lorsqu'on approche un Smartphone fonctionnant en mode Wi-Fi. Les rectennas réalisées sont adaptées à la fois pour le champ proche et lointain
The work presented in this thesis is part of microwave energy harvesting theme, applied to supply electrochromic displays for anti-counterfeiting applications. This study focuses on the design, optimization and implementation of rectennas (rectifying antennas) printed on cellulosic substrates with industrial printing techniques.Characterization of dielectric materials (paper) and conductors has been developed. The combination between the transmission line technique and the resonant cavity allowed the characterization of a flexible and copper free substrate over a wideband (500 MHz to 3 GHz). Dielectric losses of paper are too high to perform HF circuits. A wise choice of the substrate and of the optimization technique for circuit design enables performant rectennas.Two compact rectennas were developed in microstrip technology at 2.45 GHz, optimized and printed with flexography method using a single layer of conductive ink. The rectennas do not contain vias or HF side filter or DC side filter. The first rectenna was printed on corrugated paper. The output DC voltage across the display reaches 0.5 V for a power level at the input of the rectenna of -10 dBm. The second rectenna is a 3D rectenna, printed on flexible 100 µm thick plastic substrate. A DC voltage of 1 V was measured across the display when getting near a Smartphone on Wi-Fi mode. The rectennas are suitable for both near field and far field

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Diab, Daher. "Capteur acoustique sphérique autonome : étude du dispositif de récupération d'énergie vibratoire." Thesis, Valenciennes, 2017. http://www.theses.fr/2017VALE0037/document.

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Abstract:

Un nouveau capteur acoustique sphérique autonome est proposé. Il est destiné à être immergé dans un milieu liquide ou pâteux pour mesurer certaines propriétés physiques du milieu et récupérer l'énergie vibratoire ambiante pour assurer son autonomie. Le capteur est composé de deux coquilles hémisphériques en plexiglas et d'une bague piézoélectrique en PZ26 fixée entre les deux coquilles. Cette structure peut être utilisée aussi bien en excitateur que capteur. Un modèle de simulation de la récupération d'énergie vibratoire a été développé en considérant seulement deux modes de vibration: mode épaisseur et mode radial. Pour chaque mode, le comportement de l’anneau est décrit par un circuit électromécanique équivalent reliant les ports mécaniques (forces et vitesses) au port électrique (tension et courant). Ce choix est guidé par la possibilité de combiner la partie électromécanique avec l'électronique qui traite l'énergie directement dans un simulateur basé sur Spice. Pour valider cette approche, une simulation par éléments finis a été réalisée et comparée aux résultats produits par le circuit électromécanique. Les fréquences de résonance ont également été vérifiées expérimentalement avec un analyseur d'impédance. Toutes ces vérifications donnent des résultats en très bon accord avec le modèle électromécanique proposé en termes de fréquences de résonance, de tension et de puissance collectées. Enfin, plusieurs validations expérimentales sont présentées avec un prototype de capteur sphérique. Ces validations montrent l’adéquation des prédictions avec les résultats expérimentaux. Finalement, un test du circuit de récupération est effectué en situation réelle
A new spherical autonomous acoustic sensor is proposed. It is intended to be immersed in a liquid or pasty medium to measure some physical properties of the medium and should harvest ambient energy to ensure its autonomy. The sensor is composed of two Plexiglas half-spherical shells and a PZ26 piezoelectric ring clamped between the two shells. This structure can be used as well as in exciter or sensor. A simulation model of vibrational energy harvesting has been developed considering only two modes of vibration: thickness and radial modes. For each mode, the ring behavior is described by an equivalent electromechanical circuit connecting the mechanical ports (forces and velocities) to the electrical port (voltage and current). This choice is guided by the possibility to combine the electromechanical part with the electronics that process the energy directly in a Spice based simulator. To validate this approach, a finite elements simulation was realized and compared to the electromechanical circuit results. Resonance frequencies were also verified experimentally with an impedance analyzer. All these verifications give results in very good agreement with the proposed electromechanical model, as well as in terms of resonant frequencies, harvested voltage and power. Finally several experimental investigations are presented with a prototype of spherical sensor. These validations show the adequacy of the predictions with the experimental results. Finally, a test of the harvesting circuit is done in real situation

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Lafarge, Barbara. "Modélisation, simulation et mise en œuvre d'un système de récupération d'énergie : application à un amortisseur semi-actif autonome." Thesis, Valenciennes, 2018. http://www.theses.fr/2018VALE0023/document.

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Abstract:

Ce travail est consacré à l’étude et à la mise au point de récupérateurs d’énergie intégrés à une suspension automobile afin par exemple d’alimenter soit un microcontrôleur, soit des capteurs, soit de réaliser le contrôle santé des pièces ou encore de rendre l’amortisseur au sein d’une suspension d’un véhicule semi-actif autonome en fonction du niveau d’énergie disponible. Compte tenu des types de déplacement disponible dans la suspension, il est naturel de s’orienter vers des techniques électromagnétiques pour la récupération d’énergie liée aux grands déplacements et vers des techniques piézoélectriques pour les vibrations. L’utilisation de tels systèmes s’avère cependant complexe et un certain nombre de points techniques doivent être résolus pour les mettre en œuvre. En premier lieu, une parfaite connaissance des techniques de conversion piézoélectrique et électromagnétique est nécessaire. Dans ce but, le langage Bond Graph est utilisé et appliqué avec succès sur l’ensemble du système de suspension ainsi que sur les récupérateurs d’énergie en raison de sa capacité à traduire les effets physiques et les échanges énergétiques au sein de systèmes multiphysiques. D’autre part, des confrontations simulation/expérience sont réalisées en laboratoire sur chacun des récupérateurs d’énergie piézoélectrique et électromagnétique, afin de s’assurer du bon fonctionnement de ces systèmes lors de leurs intégrations dans un véhicule réel. Ainsi, des défauts de nature différente comme la force magnétique déformant le mouvement de translation de l’amortisseur, la mauvaise conduction des lignes de champ magnétique ou les endommagements du matériau piézoélectrique lors d’essais répétés, sont analysés dans les premiers démonstrateurs afin d'être ensuite corrigés. Enfin, un modèle global de suspension automobile intégrant simultanément les deux sous-systèmes de récupération d’énergie est étudié. Afin de compléter cette analyse, une modélisation du circuit de restitution et du stockage d’énergie est également proposée et permet une étude qualitative et quantitative des performances des systèmes de récupération d’énergie piézoélectrique et électromagnétique. Les résultats issus de ces modèles sont exploités dans le but de concevoir des récupérateurs d’énergie s’adaptant au mieux au domaine de l'automobile. Pour conclure, des tests sur route avec le récupérateur d’énergie piézoélectrique démontrent la validité de l’analyse théorique et la faisabilité des techniques développées
This work is devoted to the study and the development of energy harvesters integrated in an automobile suspension, for example to supply either a microcontroller or sensors, or to perform an health check of parts or render semi-active the shock absorber within a suspension of an autonomous vehicle according to the level of energy available. Given the types of displacement available in the suspension, it is natural to move towards electromagnetic techniques for energy recovery related to large displacements and to piezoelectric techniques for vibrations. However, the use of such systems is complex and a number of technical issues need to be addressed to implement them. First, a perfect knowledge of piezoelectric and electromagnetic conversion techniques is required. To this end, the Bond Graph language is used and successfully applied to the entire suspension system as well as energy harvesters because of its ability to translate physical effects and energy exchanges into multiphysics systems. Furthermore, simulation / experiment confrontations are carried out in the laboratory on each of the piezoelectric and electromagnetic energy harvesters, to ensure the proper functioning of these systems during their integration into a real vehicle. Thus, defects of different nature such as the magnetic force deforming the translation movement of the damper, the poor conduction of the magnetic field lines or the damage of the piezoelectric material during repeated tests, are analyzed in the first demonstrators in order to be corrected. Finally, a global model of automobile suspension simultaneously integrating the two subsystems of energy recovery is studied. To complete this analysis, a modeling of the circuit of restitution and energy storage is also proposed and allows a qualitative and quantitative study of the performances of piezoelectric and electromagnetic energy recovery systems. The results from these models are used to design energy recovery systems that best fit the automotive field. To conclude, road tests with the piezoelectric energy harvesters demonstrate the validity of the theoretical analysis and the feasibility of the techniques developed

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Gusarova, Elena. "Dispositifs souples pour la récupération d’énergie à base de matériaux organiques piezoélectriques P(VDF-TrFE) imprimés." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2015. http://www.theses.fr/2015GREAT139/document.

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Abstract:

Le but de cette thèse était d’étudier des solutions innovantes pour la récupération d’énergie pour pouvoir alimenter de manière autonome les futurs capteurs et nœuds communicants sans fil de l’Internet des Objets (IoT pour Internet of Things). Le travail s’est focalisé sur des matériaux piézoélectriques souples et sur une approche composite et multiphysique. L’objectif est de récupérer de l’énergie à partir de déformations directes ou induites provenant de sources à la fois mécaniques et thermiques et en particulier de sources négligées jusqu’alors (lentes et de faibles intensités). L’idée maitresse est l’hybridation de plusieurs matériaux fonctionnels avec un cœur du système constitué par des microgénérateurs piézoélectriques (et pyroélectriques) imprimés nécessaires à la génération de charges électriques. L’originalité de ce travail est d’avoir réalisé un système de récupération d’énergie entièrement flexible, au format d’une carte de crédit et compatible avec de plus grandes dimensions, en utilisant des copolymères piézoélectriques de P(VDF-TrFE) sous forme d’encres. Ce matériau est flexible et particulièrement résistant, ce qui le rend attractif pour desapplications mettant en jeu formes complexes, notamment, courbes. Un autre avantage du copolymère de P(VDF-TrFE) est qu’il ne nécessite pas de pré-déformation mécanique comme pour le polymère PVDF et il commence à être aujourd’hui disponible sous forme d’encres pour l’électronique imprimée, ce qui simplifiera et réduira les coûts de fabrication à termes.En premier, nous décrivons le procédé de fabrication par sérigraphie des microgénérateurs en P(VDF-TrFE), suivi par les caractérisations ferroélectriques puis piézoélectriques des dispositifs. A cet effet, nous avons développé des techniques de mesures originales en circuit ouvert qui ont été testées et validées au préalable avec des échantillons dePVDF commercial. La dernière étape a été de réaliser un prototype de récupération d’énergie thermique flexible de faible encombrement (sans radiateur). Cela a été réalisé en hybridant les microgénérateurs précédemment fabriqués avec des feuilles d’alliages à mémoire de forme thermique à base de NiTi, qui est un matériau sensible à un seuil de température donnée.Les résultats phares de cette étude sont : 1) le dépôt multicouches de P(VDF-TrFE)combiné au dépôt d’une électrode souple en PEDOT:PSS, β) l’établissement des caractéristiques ferroélectriques et piézoélectriques en fonction de l’épaisseur de P(VDFTrFE) et enfin γ) la détermination d’un coefficient g31 supérieur à la normale avec0.15 V·m/N. Aussi, nous avons démontré la capacité de ces microgénérateurs à délivrer des tensions utiles de l’ordre de 10 V avec ici une densité d’énergie de proche de 500 μJ/cm3, ces valeurs étant limitées aux conditions de test utilisées.Nous concluons ce travail sur une preuve de concept fonctionnelle de récupérateur d’énergie thermique flexible apte à détecter ou utiliser des variations lentes et faibles de température à partir de sources élémentaires, produisant pour l’instant γ7 V (correspondant à95 μJ) à 65 ºC, et qui à termes pourront être l’air ambiant (chaud ou froid) ou la chaleur de la peau
This work aims to study innovative solutions for energy harvesting applicable toautonomous wireless sensors for IoT (Internet of Things). It is focused on flexiblepiezoelectric composite materials and a multi-physical approach. The objective is to harvestenergy via strain-induced phenomena from both mechanical and thermal sources, andparticularly sources neglected so far (slow and low). The main idea is the hybridization ofdifferent functional materials with the core of the system being screen printed piezo/pyroelectricmicrogenerators, mandatory to generate electrical charges. The originality of thiswork is to realize large area flexible energy harvesting systems by using ink-basedpiezoelectric copolymers of polyvinylidene fluoride P(VDF-TrFE). This material is veryflexible and durable which makes it attractive for applications in systems with complexshapes. Another benefit of P(VDF-TrFE) is that it does not need to be pre-stretched as PVDFand it is now available in inks for printable electronics which can simplify and reduce theprice of the fabrication process.We first describe the fabrication process of the screen printed P(VDF-TrFE)microgenerators, followed by ferroelectric and piezoelectric characterizations. For thispurpose we have developed optimized methods in open-circuit conditions adapted for flexiblesystems tested and validated on commercial bulk PVDF. The last step was to realize a lowprofile thermal flexible energy harvester prototype (no radiator). It was done by hybridizationof the fabricated microgenerators and foils of shape memory NiTi-based alloy, which is afunctional material sensitive to a given temperature threshold.The key outcomes of this work are: 1) the successful deposition of multilayers ofP(VDF-TrFE) and organic PEDOT:PSS electrode, 2) dielectric, ferroelectric and directpiezoelectric constants reported as a function of film thickness, and 3) the g31 direct voltagecoefficient, measured for the first time, and showing the record value of 0.15 V·m/N. Also,we have demonstrated that in open-circuit conditions, the microgenerators can produce auseful strain-induced voltage of 10 V with an energy density close to 500 μJ/cm3, these valuesbeing limited by the experimental set-up.The concept of thermal energy harvesting composite based on thin film screen printedP(VDF-TrFE) microgenerators was realized and demonstrated to be effective. We concludewith a functional prototype of flexible energy harvester, able to detect non-continuous slowthermal events and producing 37 V (corresponding to 95 μJ) at 65 ºC

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Guigue, Sébastien. "Développement, intégration et prototypage d'un noeud-capteur autonome à récupération d’énergie pour réseaux de capteurs sans fil." Electronic Thesis or Diss., Bordeaux, 2024. http://www.theses.fr/2024BORD0082.

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Abstract:

Il y a eu une recrudescence du nombre de dispositifs connectés dans le contexte de l’Internet des objets. La multiplication des réseaux de capteurs sans fil a conduit à une augmentation du nombre de batteries et de déchets générés. Dans un contexte d’électronique verte, le développement de circuits autonomes alimentés par la récupération d’énergie doit être géré. Le premier chapitre donnera un aperçu des réseaux de capteurs sans fil, y compris une brève histoire de ces systèmes, les différents domaines d’application, les défis et quelques solutions possibles pour surmonter ces problèmes. Le second chapitre présentera la conception d’un microcontrôleur sur mesure pour l’application qui contrôle le noeud capteur avec une consommation minimale d’énergie. L’architecture du microcontrôleur, le jeu d’instructions, l’interfaçage et tous les choix de conception seront présentés. Le troisième chapitre décrit la conception d’une radio de réveil, un circuit toujours actif qui active le noeud capteur lorsqu’une requête est envoyée. Le choix de l’architecture de chaque bloc sera expliqué, en détaillant les différents aspects de chaque bloc. Les blocs sont les suivants : Un détecteur d’enveloppe pour la réception des données ; Un comparateur pour la démodulation des données ; Un oscillateur pour fournir une horloge pour le système, ; Un corrélateur pour comparer le message reçu avec une référence ; Une source de courant pour assurer la robustesse thermique.Le dernier chapitre fournit une analyse de l’ensemble du noeud de capteur sans fil. Une estimation de l’autonomie du noeud est présentée et une comparaison avec un noeud conçu avec des composants du marché est également présentée. Des perspectives d’amélioration pour les travaux futurs seront également exposées
There has been an upsurge in the number of connected devices in the IoT(Internetof Things) context. The multiplication of Wireless Sensor Networks (WSNs) lead toan increase of the number of batteries and of waste generated. In a context of green electronics, the development of self-sustained circuits supplied with energy harvesting has to be managed.Chapter I will give an overview of wireless sensor networks, including a brief history these systems, the different fields of application, the challenges and some possible solutions to overcome these issues.Chapter II will present the design of a custom Microcontroller Unit (MCU) which runs the WSN with a minimum power consumption. The architecture of the microcontroller,the instruction set, the interfacing and all the design choices will be presented.Chapter III describes the design of a Wake-Up Radio (WuRx), an always-on circuit which switches on the WSN when a request is sent. The choice for the architecture of each block Will be explained, while detailing the different aspects of each block.The blocks areas follows : An envelope detector for data reception ;A comparator for data demodulation ; An oscillator to provide a clock for the system ; A correlator to compare the received message with a reference,; A current source to provide temperature robustness.Chapter IV provides an analysis of the entire wireless sensor node. An estimation of the node autonomy is presented and a comparison with a node designed with market components is presented. Perspectives of improvement for future works will also be presented

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Talbourdet, Anaëlle. "Structures textiles piézoélectriques à base de PVDF pour la conversion d’énergie mécanique en énergie électrique." Thesis, Lille, 2018. http://www.theses.fr/2018LIL1I067.

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Abstract:

Cette étude s’inscrit dans le cadre du projet Autonotex et vise à développer un textile connecté et autonome en énergie. Le textile permettra de monitorer des draps médicaux et des sous-vêtements professionnels. Le principal objectif est de s’affranchir des batteries traditionnelles dans les smart textiles et développer un textile qui utilisera les mouvements du corps humain comme source d’énergie pour alimenter les capteurs placés aux endroits stratégiques sur les vêtements. Pour relever ce challenge, le projet Autonotex s’est basé sur le développement de nouvelles fibres piézoélectriques. Ces matériaux permettent de générer un fort potentiel électrique lorsqu’ils sont soumis à des sollicitations mécaniques. Dans un contexte textile, le polymère polyfluorure de vinylidène (PVDF) a été utilisé pour la production de multi-filaments par procédé de filage en voie fondue. Ce polymère est connu pour son caractère piézoélectrique lorsqu’il se trouve dans une certaine conformation cristalline. Le premier enjeu du sujet de thèse est donc d’optimiser cette phase lors du procédé de production des filaments. Par la suite, deux stratégies ont été envisagées. Dans un premier cas, les filaments 100 % PVDF sont utilisés pour la fabrication d’étoffes textiles qui une fois instrumentées par des électrodes permettent de générer une tension de sortie électrique. Un premier prototype d’une étoffe piézoélectrique couplée à des électrodes imprimées en 3D a permis de vérifier la faisabilité du dispositif. La seconde stratégie a été de développer un filament tricomposant, formé par le polymère piézoélectrique et deux couches de composites polymères conducteurs jouant le rôle d’électrodes
This study is part of the Autonotex project and aims to develop a connected and autonomous energy textile. The textile is intended for the manufacture of medical sheets monitoring patients and professional underwear. The main objective is to overcome the traditional batteries in smart textiles and develop a textile that will use the movements of the human body as a battery to power sensors placed strategically on clothing. To meet this challenge, the Autonotex project is focused in part on the development of new piezoelectric fibers. These materials generate a high electrical potential when subjected to mechanical stresses. In this new context, poly(vinylidene fluoride) (PVDF) polymer can be used to produce multi-filaments by melt spinning process. This polymer is known for its piezoelectric property linked its crystalline forms. The first issue of the PhD subject is to optimize this phase during the process of production of the filaments. Subsequently, two strategies were considered. In a first case, the 100% PVDF filaments are used for the production of textile fabrics which, once instrumented by electrodes, generate an electrical output voltage. A first prototype of a piezoelectric fabric coupled to electrodes by 3D-printing allows checking the feasibility of the plan. The second strategy was to develop a tri-component filament formed by the piezoelectric polymer and two layers of conducting polymer composites acting as external/internal electrodes

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Varga, Liviu Octavian. "Réseaux de capteurs sans fils multi-sauts à récupération d’énergie : routage et couche liaison de bas rapport cyclique." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2015. http://www.theses.fr/2015GREAM064/document.

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Abstract:

L’objectif de cette thèse est de développer un réseau IPv6 constitué de capteurs sans fils autonomes grâce à la récupération d’énergie, fonctionnant à faible rapport cyclique. Cette thèse s’inscrit dans un projet industriel, GreenNet, lancé par STMicroelectronics afin de se positionner sur le marché de l’Internet des Objets. La nouvelle plate-forme utilisée dans ce projet se différencie de ses concurrents par sa petite taille, ce qui implique une faible capacité de batterie. Une cellule photovoltaı̈que permet en revanche de recharger la batterie, y compris dans des conditions de luminosité faible. Pour atteindre l’autonomie, nous avons besoin que les nœuds dorment pour de très longues périodes. Par conséquent, les solutions existantes, bien que peu consommantes, ne sont pas complètement adaptées à nos besoins spécifiques.Dans cette thèse, nous proposons d’analyser les difficultés possiblement rencontrées pendant le développement d’une plate-forme à récupération d’énergie et de bas rapport cyclique. La contribution la plus importante de ce travail est de mettre en œuvre et d’évaluer le rendement de nos solutions sur des plates-formes matérielles dans des conditions très proches de la vie réelle.Une première étape du travail réalisée est la conception et l’implémentation de la norme IEEE 802.15.4 utilisant les balises pour maintenir la synchronisation. Nous choisissons le mode synchronisé car il permet aux nœuds d’atteindre des rapports cycliques aussi bas que 0,01%. La seconde étape est d’apporter le multi saut : nous proposons une optimisation du protocole de routage, ainsi qu’un contrôle d’accès par multiplexagetemporel pour les routeurs et les dispositifs afin d’éliminer les interférences.Nous allons même plus loin dans l’optimisation du temps où les nœuds sont allumés: nous proposons d’éteindre les coordinateurs avant la fin de leur période d’activité définie par le standard, lorsqu’il n’y a pas de communications. Les nœuds qui ne nécessitent pas d’envoyer des données peuvent sauter des balises et se réveiller seulement lorsqu’il est nécessaire de synchroniser les horloges, ou d’envoyer des données. Dans le même temps, nous résolvons le problème de multicast pour les nœuds qui dorment durant de longues périodes, en convertissant ces paquets en paquets unicast. Nous améliorons également le rapport cyclique de routeurs qui n’ont pas de nœuds associés en les forçant envoyer la balise moins souvent, tant qu’ils n’ont pas des nœuds associés.Pour améliorer la performance du réseau, nous proposons aussi une solution rétro compatible qui utilise plusieurs canaux. Un tel système est utile quand un lien entre deux nœuds subit de très mauvaise performance sur un certain canal fréquentiel, mais obtient de meilleurs résultats sur une fréquence différente.Toutes les solutions présentées ci-dessus, et discutées dans la dissertation ont été mises en œuvre et testées sur la plate-forme GreenNet. Nous avons également réalisé des mesures sur des nœuds pour vérifier leurs efficacité
The goal of the thesis is to enable IPv6 harvested and autonomous wireless sensor networks with very low duty-cycle. It is part of an industrial project, GreenNet, hosted by STMicroelectronics with the goal of being a pioneer in the Internet of Things. The new platform differentiates from its existing competitors by a small size, which implies small battery capacity. However, a photovoltaic cell is capable of recharging the battery even under low light conditions. On top of this, we aim at nodes that sleep for very long periods. Hence, the existing solutions were not completely suited for ourneeds.The thesis proposes to analyze the possible challenges that one can meet while developing a harvested low-duty cycle platform. The most important contribution of this work is that we implement and evaluate the performance of our solutions on real hardware platforms in conditions very close to real-life.In this dissertation, we first of all develop and implement a basic solution based on the IEEE 802.15.4 beacon-enabled standard. We choose the synchronized mode because it allows nodes to reach duty-cycles as low as 0.01%. A more difficult step was to bring multi-hop: we design new a routing scheme inside our network, and a time based access for routers and devices to eliminate interferences as much as possible. The routing scheme is meant to be simple and efficient.We go even further to optimize the total time the nodes are on: we proposed to shut down coordinators before their standardized end of slot when there is no communication. Devices that do not need to send data can skip beacons and only need to wake up to synchronize their clock or to send data. In the same time we solve the problem of multicast for long sleeping nodes by converting these packets into unicast traffic. We also improved the duty-cycle of routers that do no have associated devices by forcing them to beacon slower, as long as they do not have any associated devices.To improve the network performance we also propose a backward compatible multichannel solution. Such a scheme is useful when a link between two nodes achieve very bad performance on a certain channel but better results on a different frequency.All the solutions presented above and discussed in the dissertation were implemented and tested on the GreenNet platform. We also realized measurements of the nodes efficiency while in harvested conditions and showed that it is possible to handle harvested routers, when there is enough available light

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Haboubi, Walid. "Développements de circuits Rectennae bi-polarisation, bi-bande pour la récupération et conversion d’énergie électromagnétique à faible niveau." Thesis, Paris Est, 2014. http://www.theses.fr/2014PEST1089/document.

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Abstract:

L'amélioration de l'autonomie énergétique des systèmes communicants constitue aujourd'hui une des préoccupations majeures pour leur déploiement massif dans notre environnement. On souhaite rendre complètement autonome ces dispositifs électroniques (on pense entre autres aux capteurs et réseaux de capteurs) en s'affranchissant des sources d'énergie embarquées qui nécessitent des opérations de remplacement ou de recharge périodiques. Parmi les sources d'énergie disponibles qui peuvent être exploitées, on trouve les ondes électromagnétiques. Le dispositif qui permet de capter cette énergie et la convertir en puissance continue utile est dénommé Rectenna (Rectifying antenna) qui associe une antenne de captation à un circuit de rectification à base de diodes. Les rectennae ont fait l'objet d'un nombre important de communications dans la littérature ces dernières années avec pour fil conducteur, la recherche de performances optimales compte tenu de l'atténuation des ondes électromagnétiques et des faibles niveaux de champ récupérés. C'est dans ce contexte que s'est déroulé ce travail de thèse dont le financement a été assuré par un contrat ANR (REC-EM).Dans ce travail, on s'est attaché à développer, à concevoir et à caractériser expérimentalement des structures planaires qui présentent des propriétés intéressantes :- En terme de polarisations orthogonales, ceci de façon à s'affranchir de l'orientation arbitraire de l'onde incidente à la rectenna. Une rectenna à double polarisation circulaire à 2.45 GHz et à double accès sera réalisée pour, de plus, s'affranchir de la perte de 3 dB lorsque l'onde récupérée est à polarisation linéaire à orientation arbitraire.- En termes de résonances multiples, ceci pour augmenter le niveau de puissance récupérée par l'antenne et optimiser la puissance continue convertie. Une rectenna à double fréquence (1.8 et 2.45 GHz) et à accès unique sera conçue ainsi qu'une rectenna constituée d'un réseau de deux antennes double fréquence.- En terme de réduction de taille en s'affranchissant de l'utilisation du filtre HF entre l'antenne et le circuit de conversion ceci pour l'ensemble des structures rectennae développées dans ce travail. Dans tous les cas, il sera nécessaire de développer le circuit de rectification le plus adapté à la topologie de l'antenne de captation et évaluer la technique de recombinaison optimale coté DC pour s'affranchir au mieux des déséquilibres qui peuvent apparaître entre les voies d'accès de l'antenne. Pour contenir les dimensions de la structure globale, des circuits mono diode seront dimensionnés et réalisés pour chacune des structures. Enfin, on exploitera l'antenne à double polarisation circulaire double accès, dont on cherchera à diminuer les dimensions, pour alimenter un capteur de température à affichage LCD. Pour augmenter le niveau de tension nécessaire au fonctionnement du capteur, nous associerons entre la rectenna et le capteur un convertisseur DC-DC. Il s'agit, dans ce cas, d'un dispositif de gestion d'énergie adapté pour les faibles puissances. Deux convertisseurs seront employés dont celui développé par les laboratoires Ampère de l'Ecole Centrale de Lyon et SATIE à l'ENS Cachan. Ce convertisseur a fait l'objet d'une thèse également financée par l'ANR dans le cadre de ce contrat REC-EM
Improving energy autonomy of communication systems constitutes one of the major concerns for their massive deployment in our environment. We want to make these electronic devices (sensors and sensor networks) completely autonomous, avoiding the embedded energy sources that require replacement operations or periodic charging. Among the available energy sources that can be harvested, there are electromagnetic waves. The device that can capture this energy and convert it into useful DC power is called Rectenna (Rectifying antenna), combining antenna with diode-based rectifier. In recent few years, rectennas have reached a significant number of papers in the literature. The main challenge consists in improving performances in term of efficiency, in an attempt to overcome the electromagnetic wave attenuation and the low available field level. According to this context, this PhD work supported by the ANR project REC-EM has taken place. In this study, we have developed, designed and characterized planar structures that have interesting properties:- In term of orthogonal polarizations, so energy harvesting becomes feasable regardless the arbitrary orientation of the incident wave on the rectenna. A dual-circularly polarized rectenna at 2.45 GHz with dual-access will be set up to overcome the 3 dB power loss in the case of linearly-polarized incident wave with unknown orientation.- In term of multiple resonances, so the amount of total RF power collected by the antenna can be increased and consequently the converted DC power level can also be improved. A dual-frequency rectenna (1.8 and 2.45 GHz) with single access will be designed, as well as a rectenna based upon a dual-frequency antenna array.- In term of size compactness by avoiding the use of the HF filter between the antenna and the rectifier for all developed rectenna structures during this work. In all cases, it will be necessary to define the most suitable rectifier topology to each antenna and select, if it is appropriated, the optimum DC recombination technique to overcome the effects of RF power imbalance that may occur between the different antenna accesses. Besides, single-diode circuits will be designed and fulfilled for each structure. Finally, we will miniaturize the dual-circularly polarized dual-access antenna, and exploit it to power a LCD display temperature sensor. To enhance the DC voltage level required to activate the sensor, a DC-DC converter is inserted between the rectenna and the sensor. Such energy management device should be able to operate under low delivered DC power. Two converters will be used. The first one is developed by Ampere Lab at Ecole Centrale de Lyon and SATIE Lab at ENS Cachan. This converter was the subject of another dissertation also supported by the ANR under the REC-EM project

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Wague, Baba. "Matériaux sans plomb micro structurés pour la récupération d'énergie." Thesis, Lyon, 2018. http://www.theses.fr/2018LYSEC003/document.

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Abstract:

Avec le développement des circuits intégrés à très faible consommation d'énergie, la nécessité de réduire les coûts d'exploitation des dispositifs électroniques embarqués et l'utilisation des piles usagées constituant une menace pour l'environnement, le concept de récupération d'énergie a acquis un nouvel intérêt. La récupération d'énergie couvre le piégeage de nombreuses sources d'énergie ambiantes perdues et leur conversion en énergie électrique. Une large gamme de dispositifs de récupération d'énergie des vibrations mécaniques a été développée. Une configuration commune consiste en un système de masse-ressort avec un matériau piézoélectrique en parallèle avec le ressort pour convertir une partie de l'énergie mécanique pendant les oscillations en énergie électrique. Jusqu'à présent, le matériau le plus utilisé pour la récupération d'énergie piézoélectrique est le titano-zirconate de plomb (PbZr1-xTixO3) (PZT). Le PZT est le matériau de référence pour les applications microsystème électromécanique-MEMS (MechanoElectroMechanicalSystems) dans le domaine de la récupération d'énergie. Les matériaux piézoélectriques à base de plomb tels que le PZT et niobate-titanate de plomb-magnésium (PMN-PT) offrent des facteurs de couplage piézoélectriques supérieurs à ceux d'autres matériaux. Cependant, malgré ses excellentes propriétés électriques (diélectriques, ferroélectriques et piézoélectriques), le PZT et d'autres matériaux à base de plomb devraient bientôt être remplacés par des composés sans plomb, à cause des problèmes environnementaux. Notre travail vise à développer des matériaux sans plomb de haute performance pour la récupération d'énergie par vibration mécanique. Nous nous sommes intéressés à la fabrication et la caractérisation des dispositifs MEMS pour la récupération d'énergie en utilisant les matériaux piézoélectriques sans plomb tels que le nitrure d'aluminium (AIN), le titanate de baryum BaTiO3 (BTO) et la ferrite de bismuth BiFeO3 (BFO). Les matériaux piézoélectriques PZT (utilisé comme référence à cause ses coefficients piézoélectriques élevés), BTO, BFO et AIN ont été déposés en utilisant des méthodes de dépôt telles que la pulvérisation cathodique et le dépôt sol-gel, conduisant à des films minces à grande échelle, homogènes et de haute densité, avec une épaisseur contrôlée avec précision. Le dépôt de films de 300 nm d'épaisseur par pulvérisation cathodique ou par Sol-Gel a été réalisé sur du substrat de SrTiO3 (STO) recouvert d'une électrode inférieure de SrRuO3 (SRO), qui est le substrat de référence pour les oxydes fonctionnels (PZT, BTO et BFO), et sur un substrat de silicium recouvert de platine, qui est le modèle industriel classique. Quels que soient les matériaux piézoélectriques, nous avons obtenu des films épitaxiés sur substrat de STO et texturés sur substrat de silicium. Des mesures structurales, électriques et piézoélectriques sur les films de BTO, AIN et PZT montrent qu'ils ont de bonnes propriétés physiques en accord avec la littérature
With the development of ultra-low-power integrated circuits, the need to reduce operating costs for embedded electronic devices, and since used batteries pose a threat to the environment, the concept of energy harvesting has gained a new relevance. Energy harvesting covers the scavenging of many lost ambient energy sources and their conversion into electrical energy. A broad range of energy harvesting devices has been developed to scavenge energy from mechanical vibrations. A common configuration consists of a spring-mass system with a piezoelectric material in parallel with the spring to convert some of the mechanical energy during oscillations into electrical power. So far the most used material for piezoelectric energy harvesting is the Lead Zirconate Titanate (PbZr1-xTixO3) (PZT). PZT is the reference material for MEMS (MechanoElectroMechanicalSystems) applications in the field of energy harvesting. Lead-based piezoelectric materials such as PZT and lead magnesium niobate-lead titanate (PMN-PT) offer incomparable piezoelectric coupling factors to other materials. However, despite its excellent electrical properties (dielectric, ferroelectric and piezoelectric), PZT and other Lead based materials should be replaced shortly by leadfree compounds, due to environmental issues. Our work aims at developing lead-free high performance vibration energy-harvesting. We focus on the fabrication and characterization of aluminum nitride (AlN), Barium titanate BaTiO3 (BTO) and Bismuth ferrite BiFeO3 (BFO) devices for energy harvesting. PZT (as a reference because it’s high piezoelectric coefficients), BTO, BFO and AlN have been deposited using sputtering methods, leading to high homogeneous, large scale thin films with a precisely controlled thickness. The deposition of 300nm-thick films by sputtering or spin coating was performed on SrTiO3 (STO) substrate with SrRuO3 (SRO) bottom electrode, which is the reference substrate for the functional oxides (PZT, BTO and BFO), and platinum coated silicon substrate, which is the classic industrial template. Whatever the piezoelectric materials, we obtained epitaxial films on STO substrate and textured films on silicon substrate. Structural, electrical and piezoelectric measurements on the BTO, AlN and PZT films show that they have good physical properties in agreement with the literature

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Lu, Yingxian. "Récolteuses d’énergie cinétique électrostatique (e-REC) à basse fréquence pour applications de communication RFID et électronique portable." Thesis, Paris Est, 2018. http://www.theses.fr/2018PESC1077/document.

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Abstract:

Un nombre croissant d’appareils électroniques portatifs et portables entraîne une demande croissante de module d’alimentation électrique durable et localisé de petite taille et de poids, et offrant une puissance de sortie élevée. En tant que choix prometteur pour l’alimentation électrique, les moissonneuses d’énergie cinétiques (REC), qui transforment les vibrations ou les mouvements ambiants en énergie électrique, sont étudiées de manière intensive ces dernières années. Les performances des RECs miniatures disponibles dans la littérature sont généralement limitées par leur taille. Les vibrations ambiantes sont généralement abondantes en basse fréquence, ce qui est également un facteur majeur limitant la puissance de sortie du REC. Afin d’améliorer la puissance de sortie, nous devrions améliorer l’efficacité de la conversion d’énergie, qui est liée au principe de transduction. Ce travail présente l’amélioration de la puissance de sortie des RECs électrostatiques basse fréquence grâce à un mécanisme de conversion de fréquence mécanique couplé par impact, et propose un modèle numérique prédictif du prototype qui prend en compte l’effet d’amortissement de l’air et les impacts dans le prototype. Un prototype est proposé avec une géométrie améliorée du module capacitif réduisant la force d’amortissement de l’air. Des approches alternatives pour ajuster les RECs à des applications variées sont proposées, y compris un REC entièrement flexible conçue pour l’électronique portable, et un REC à basse fréquence 2-D sensible aux vibrations suivant deux directions orthogonales. De plus, un système d’étiquette RFID entièrement autonome en énergie mettant en œuvre le REC à basse fréquence en tant que module d’alimentation électrique et un module de communication RFID semi-passif est présenté
A growing number of portable and wearable electronics results in an increasing demand of sustainable and localized power supply module of small size and weight, and offering high output power. As a promising choice for the power supply, Kinetic energy harvesters (KEHs), transforming the ambient vibrations or motions into electrical energy, are studied intensively in recent yeas. The performance of the miniature KEHs available in literature are generaly confined by their sized. The ambient vibrations are usually abundant in low frequency, which is also a major factor restricting the output power of the KEH. In order to enhance the power output, we should improve the energy conversion efficiency, which is related to the transduction principle. This work presents the improvement of the output power of low frequency electrostatic KEHs through impact-coupled mechanical frequency up conversion mechanism, and proposes a predictive numerical model of the prototype which considers the squeeze film air damping effect and the impacts in the prototype. A prototype is proposed with improved geometry of capacitive module reducing the air damping force. Alternative approaches to adjust the KEHs to varied applications are proposed, including a fully flexible KEH designed for wearable electronics, and a 2-D low frequency KEH that is sensible to vibrations along two orthogonal directions. In addition, a fully energy-autonomous RFID tag system implementing the low frequency KEH as the power supply module and a semi-passive RFID communication module is presented

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Clementi, Giacomo. "LiNbO3 films : intégration pour la récupération de l'énergie piézoélectrique et pyroélectrique." Thesis, Bourgogne Franche-Comté, 2020. http://www.theses.fr/2020UBFCD057.

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Abstract:

Cette thèse fait partie du projet ENHANCE (Piezoelectric Energy Harvesters for Self-Powered Automotive Sensors : from Advanced Lead-Free Materials to Smart Systems) du réseau de formation innovant Marie Sklodowska-Curie, qui est lié à la récupération d'énergie pour les applications automobiles, en particulier de l'énergie vibratoire et thermique pour les capteurs autoalimentés. Dans cette thèse, nous avons étudié le matériau piézoélectrique sans plomb LiNbO3 comme transducteur pour les applications de récupération d'énergie, en mettant l'accent sur ses propriétés matérielles optimisées et son interface électronique.Nous avons exploré toutes les voies possibles de micro-fabrication des films LiNbO3, avec des approches top-down ou bottom-up, afin d'obtenir des films LiNbO3 de haute qualité. Nous avons présenté à la fois des films PIMOCVD qui peuvent être développés de manière texturée sur des substrats de silicium, et des films épais de monocristaux LiNbO3 Au-Au colleés au silicium ou au métal. Nous avons optimisé le couplage et les propriétés électro-mécaniques des transducteurs LiNbO3 par des simulations par éléments finis et l'étude de l'orientation. Finalement, nous avons démontré expérimentalement que LiNbO3 (YXl)/128° est la meilleure orientation pour les applications de récupération d'énergie vibratoire. Enfin, nous avons atteint une densité de puissance normalisée de 371,2 µW.cm^-3.g^-2.Hz^-1 en utilisant la structure composite proposée qui vibre à la fréquence de résonance, ce qui est parmi les meilleures valeurs même par rapport aux matériaux à base de plomb (et autres matériaux sans plomb) disponibles dans le commerce.En outre, nous avons satisfait l'objectif de fournir une tension de sortie redressée dans la gamme 1-3 V à partir de transducteurs sans plomb, obtenant pour des systèmes de dimensions compactes (< 1 cm^3), une figure de mérite piézoélectrique de 26,6 GJ/m^3 avec un facteur de qualité mécanique considérable (> 100), et des fréquences opérationnelles dans la gamme de 10-500 Hz disponibles dans les véhicules
This thesis is a part of the Marie Sklodowska-Curie Innovative Training Network (ITN) ENHANCE project (Piezoelectric Energy Harvesters for Self-Powered Automotive Sensors: from Advanced Lead-Free Materials to Smart Systems), which is related to energy harvesting for automotive applications, specifically for vibrational and thermal harvesting for self-powered sensors. In this thesis, we investigated lead-free LiNbO3 piezoelectric material as transducer for energy harvesting applications, with special focus regarding its optimized material properties and electronic interface.We explored all the possible routes of micro-fabrication for LiNbO3 films, with top-down or bottom-up approaches, in order to achieve high quality LiNbO3 films. We presented both PIMOCVD films which can be grown textured on silicon substrates, and thick films from single crystal LiNbO3 Au-Au bonded to silicon or metal. We optimized the coupling and electro-mechanical properties of the LiNbO3 transducers by finite element simulations and orientation study. Eventually, we demonstrated experimentally that LiNbO3 (YXl)/128° is the best orientation for vibrational energy harvesting applications. Finally, we attained a normalized power density of 371.2 µW.cm^-3.g^-2.Hz^-1 by using the proposed composite structure vibrating at resonance frequency, that is among best values even compared to lead-based (and other lead-free) materials commercially available.Furthermore, we fulfilled the objective to provide rectified output voltage in 1-3 V range from Pb-free harvesters, achieving for systems of compact dimensions (< 1 cm^3), a piezoelectric figure of merit of 26.6 GJ/m^3 with considerable mechanical quality factor (> 100), and operational frequencies in the range of 10-500 Hz available in vehicles

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Nour, Eddine Ali. "Modélisation et optimisation d’un système de récupération d’énergie à l’échappement des moteurs de navires en utilisant la thermoélectricité (effet Seebeck)." Thesis, Ecole centrale de Nantes, 2017. http://www.theses.fr/2017ECDN0029/document.

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Abstract:

Les gaz contenus dans les lignes d’échappement des moteurs Diesel pour la propulsion maritime peuvent atteindre des températures de l’ordre de 400 – 450 °C à la sortie du turbocompresseur. Une des voies possibles pour récupérer une partie de l’énergie contenue dans les gaz d’échappement est la thermoélectricité (effet Seebeck)avec des matériaux thermoélectriques côté chaud entre200 et 300 °C. Ce niveau de température correspond à des matériaux ayant de bonnes performances de conversion chaleur / électricité. De plus, l’eau de mer présente en abondance est une excellente source froide pour un générateur thermoélectrique (TEG). Par ailleurs, la consommation en carburant du moteur thermique est un poste de dépense majeure pour l’opérateur du bateau, et une réduction de cette consommation, même minime, peut générer des économies financières importantes.L’objectif de la thèse est de comprendre et analyser le fonctionnement d’un échangeur thermoélectrique,notamment en présence d’écoulement pulsés afin d’optimiser le fonctionnement du générateur thermoélectrique. A ce titre, plusieurs campagnes d’essais sur des maquettes de TEG ont été mises en place sur trois bancs d’essais (conçus particulièrement pour les travaux de thèse) où des mesures thermiques et électriques ont été réalisées. Le but de ces essais a été de tester les performances des modules thermoélectriques et les différents types d’échangeurs sur les points de fonctionnement d’un moteur Diesel pour déterminer (dans un premier temps) lesquels étaient les plus adaptés au fonctionnement moteur. Dans un second temps, les effets de la composition des gaz d’échappement et des écoulements pulsés sur le fonctionnement du TEG ont été étudiés. Un modèle de simulation a également été développé afin de modéliser le fonctionnement d’un générateur thermoélectrique. Des essais ont été réalisés afin de calibrer le modèle de simulation
Thermoelectric energy (TE) harvesting (Seebeck effect)is a promising solution for waste heat recovery onboard ocean-going ships. On one hand, the marine Diesel engines reach around 400-450°C temperature at the turbocharger exhaust, corresponding to around 200-300°C on the hot side thermoelectric module (TEM)temperature, which is interesting according to recent studies on intermediate temperatures TE materials. In addition, seawater is available in abundance at low temperature, and represents an excellent heat sink. On the other hand, engine fuel consumption accounts today almost 50 % of ship operational costs; hence, a slight reduction of fuel consumption generates significant financial savings over the year.The objective of the Thesis is to understand and analyze the operation of a thermoelectric heat exchanger, especially in the presence of pulsations and to optimize the thermoelectric generator (TEG). Several test campaigns leading to different thermal and electrical measurement have been conducted. The campaigns were set up on three different test benches designed and fabricated during the thesis. The aim of these tests was to optimize the type of TEM’s and heat exchangers for Diesel engine application by investigating it’s the performances on engine operating points. In a second step, the effects of exhaust gas composition and pulsation flow on the TEG performances were investigated. A simulation model was developed to model the operation of a TEG. Tests were conducted to calibrate the simulation model

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Maaroufi, Seifeddine. "Conception et réalisation d’un banc pour l’étude de fiabilité des micros dispositifs piézoélectriques de récupération d’énergie dédiés aux implants cardiaques." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2017. http://www.theses.fr/2017SACLS187/document.

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Abstract:

Dans le cadre de cette thèse de doctorat, nous présentons la conception et la réalisation d’un banc dédié à l’étude de la fiabilité de structures piézoélectriques et plus précisément des micro-dispositifs de récupération d'énergie destinés aux implants médicaux autonomes actifs (stimulateurs cardiaques de nouvelle génération). Les structure étudiées se présentent sous la forme d’un bimorphe piézoélectrique encastré-libre comportant une masse sismique à leur extrémité. Une bonne compréhension du vieillissement des matériaux et des modes de défaillance mécanique et électrique est essentielle pour ce type de système où la vie du patient au sein duquel est implanté le dispositif est directement mise en jeu. Pour étudier la fiabilité et la durabilité de la partie active du récupérateur, nous proposons d'établir une nouvelle méthodologie de vieillissement accélérée via un banc d'essai dédié où l'environnement et les stimuli peuvent être contrôlés avec précision sur une large période de temps. Une caractérisation électromécanique des structures est périodiquement réalisée via l’extraction d’une série d’indicateurs (force de blocage, raideur, tension en régime harmonique) au sein même du banc tout au long du vieillissement. Il est donc ainsi possible d'identifier les différents modes de défaillance potentiels et d’étudier leurs impacts sur le bon fonctionnement du système
Within the framework of this PhD we present the design and realization of a bench dedicated to the study of the reliability of piezoelectric structures and more precisely micro-devices of energy harvesting for the new generation of active and autonomous medical implants. The structures studied are in the form of a free-clamped piezoelectric bimorph having a seismic mass at their tip. A good understanding of the aging of the materials and of the mechanical and electrical failure modes is essential for this type of system where the life of the patient implanted by this device is directly involved. To study the reliability and durability of the active part of the harvester, we propose to establish a new accelerated aging methodology via a dedicated test bench where the environment and stimuli can be controlled accurately over a large period of time. An electromechanical characterization of the structures is periodically carried out by the extraction of a series of indicators (blocking force, stiffness, tension in harmonic regime) within the bench throughout the aging process. Therefore it is possible to identify the different potential failure modes and to study their impact on the proper functioning of the system

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Hampikian, Zélia. "De la distribution aux synergies ? : Circulations locales d’énergie et transformations des processus de mise en réseau de la ville." Thesis, Paris Est, 2017. http://www.theses.fr/2017PESC1001/document.

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Abstract:

Au sein des discours accompagnant les volontés de transition énergétique, apparaît de manière grandissante une promotion de circulations d’énergie à des échelles infra-urbaines entre des activités diverses. Des acteurs locaux, nationaux ou transnationaux proposent par exemple de valoriser la chaleur dite « fatale », produite par de multiples activités (industries, data centers, eaux usées …). Parallèlement, on promeut le partage de productions d’énergie décentralisées entre différentes fonctions (résidentiel, tertiaire, commercial …) à des échelles allant de l’îlot au quartier. En somme, des formes de connexion entre activités urbaines pour échanger de l’énergie sont promues et les exemples de mise en œuvre se multiplient.Cette thèse propose de saisir ces connexions comme des nouvelles formes de réseaux urbains, qui se substituent ou se superposent à un modèle de grand réseau centralisé plus que centenaire, fondé sur l’efficacité technico-économique, la solidarisation du territoire et la croissance des consommations. Elle vise à comprendre ce que change l’émergence de ces circulations locales à la co-construction de la ville et des réseaux d’énergie.Pour saisir ces transformations, la thèse combine les apports de deux ensembles de travaux. D’un côté, les recherches urbaines et sociotechniques sur les réseaux permettent de saisir les reconfigurations de ces infrastructures. D’un autre, le champ de l’écologie industrielle et territoriale analyse les dynamiques qui mènent à des échanges de flux matériels entre activités humaines. La combinaison de leurs résultats permet ainsi de saisir l’objet considéré dans ses dimensions sociale, technique et métabolique, c’est-à-dire dans une perspective sociomatérielle.L’analyse se fonde principalement sur trois études de cas dont on s’attache à comprendre l’émergence, le fonctionnement et l’évolution : l’approvisionnement du réseau de chaleur de Dunkerque par une source de chaleur industrielle, la récupération de chaleur sur un data center pour approvisionner un quartier de Marne-la-Vallée et la mutualisation des productions d’énergie dans le quartier de La Confluence à Lyon. Plus largement, un regard est porté sur les reconfigurations concrètes ou proposées de l’organisation de la chaîne d’approvisionnement énergétique à la ville.Les résultats de la thèse sont de trois ordres. En premier lieu, ces mises en réseau ne sont plus motivées par la seule efficacité technico-économique de la forme réticulaire pour l’approvisionnement du territoire. Les intérêts des différents acteurs impliqués ont tous à voir avec un objectif d’optimisation de l’usage des flux : on passe ainsi d’une recherche d’efficacité technico-économique à celle d’une efficacité métabolique. En second lieu, les réseaux qui émergent de ces échanges sont instables, tout particulièrement en raison des incertitudes quant à l’évolution à court et à long terme des flux disponibles. Ainsi, ils ne reproduisent pas l’effet solidarisant permis par la stabilité des grands réseaux conventionnels. Enfin, face à ces instabilités, les acteurs proposent des évolutions qui visent à réduire les dépendances à des flux incertains. Ces évolutions ont pour caractéristique de s’appuyer sur une croissance du réseau qui ne suit plus un objectif d’universalisation. Au contraire, une forte sélection spatiale de l’extension du réseau est opérée, en fonction de la matérialité des flux perçue par les acteurs. Plutôt que d’engendrer de nouvelles consommations dans une logique d’offre, il s’agit ainsi d’intégrer de nouveaux flux déjà présents sur le territoire.En somme, la thèse montre un certain « tournant métabolique » dans le processus de mise en réseau de la ville par l’énergie. Alors que l’extension des infrastructures est pendant longtemps restée au centre des problématiques de construction des réseaux, les flux produits et consommés qui préexistent sur le territoire peuvent à présent être la motivation première de la création de connexions
Within the framework of the ongoing energy transition objectives, energy circulations at the infra-urban level are increasingly promoted. For instance, local, national and transnational stakeholders suggest the reuse of heat currently being wasted by diverse human activities (industries, data centres, wastewaters …). Alternatively, distributed energy sharing between different urban functions (residential, services, retail …) at the urban block or district scale is promoted. In short, several forms of connections through energy exchange between urban activities are encouraged and examples of those are multiplying.The thesis offers to capture those connections as new forms of urban networks that supersede or overlap a century-old network model based on techno-economic efficiency, socio-economic and socio-spatial solidarity and consumptions growth. It aims at understanding what these local circulations change to the co-construction of cities and energy networks.To do so, the approach combines the results of two different strands of work. On the one side, urban and sociotechnical studies of networked infrastructures allow to understand the reconfigurations of those systems. On the other side, industrial ecology works analyse the dynamics that lead to material circulations between human activities. The articulation of their results makes it possible to grasp the considered object in its social, technical and metabolic dimensions, that is, in a sociomaterial perspective.The analysis is mainly based on three French case studies of which the emergence, running and evolution are investigated: industrial waste heat reuse in the heat network of the city of Dunkirk, heat extraction from a data center to be distributes the in a district of Marne-la-Vallée and energy sharing in the La Confluence district in Lyon. More broadly, suggested or implemented reconfigurations of the organisation of energy provision are reviewed.The results of the study are threefold. First, these new forms of urban network are not solely motivated by techno-economic efficiency. The interests of the stakeholders all come into alignment with an objective of optimization of energy flows uses: from techno-economic efficiency, the goal becomes metabolic efficiency. Second, the networks formed by those circulations are unstable, in particular because of the uncertainties that regard short and long term availability of energy flows. Hence, they do not reproduce the solidarities that emerge from conventional large and stable networks. Third, to reduce those instabilities, actors suggest evolutions that aim at reducing their dependencies on uncertain flows. These evolutions all result in the growth of the network, but do not follow an objective of universalisation. On the contrary, an important spatial selection is operated, according to the perceived materiality of flows by actors. Instead of leading to new consumptions in a supply rationale, the logic becomes one of existing flows integration.To sum up, the thesis shows a “metabolic turn” in the process of networking the urban through energy circulations. While infrastructures extension has long been at the centre of networks construction, pre-existing produced and consumed flows can now become the primary motivation of building connections

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Nesser, Hussein. "Fabrication et caractérisation des MEMS composite pour la récupération d'énergie mécanique." Thesis, Bordeaux, 2016. http://www.theses.fr/2016BORD0269/document.

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Abstract:

Les récents progrès dans le domaine des MEMS organiques suscitent un intérêt croissant dans la substitution de micropoutres inorganiques par des micropoutres organiques pour diverses applications. N’ayant été étudiée qu’en mode statique, la réponse électrostrictive des MEMS organiques est présentée pour la première fois en mode dynamique. L’une des originalités de ce travail est de fabriquer un micro-récupérateur d’énergie mécanique avec une approche « tout-organique ». Dans cette thèse, des matériaux nanocomposites à base d’oxyde de graphène réduit (rGO) dispersé dans du poly-dimethyl siloxane (PDMS), sont utilisés pour la récupération de l'énergie mécanique vibratoire avec une transduction électrostrictive. Le dispositif génère une densité de puissance électrique de 8,15 W/cm3 pour une accélération de 1 g au premier mode de résonance (≈ 17 Hz)
Recent advances in the field of organic MEMS have generated interest in the substitution of inorganic microbeams by organic ones for various applications. Until now, the use of electrostrictive materials is limited to the MEMS operating mostly in static mode. The electrostrictive response of organic MEMS is presented here for the first time in dynamic mode. One of the originality of this work is to produce a micro-mechanical energy harvester fabricated in an all-organic approach. In this thesis, strain sensitive nanocomposite materials based on reduced graphene oxide (rGO) dispersed in polydimethylsiloxane (PDMS) are used for mechanical vibratory energy harvesting with an electrostrictive transducer. With an acceleration of 1 g of the microcantilever base, actuation at the first resonant mode (≈ 17 Hz) generates an electrical power density of 8.15 μW/cm3

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Zhou, Yuwei. "Contribution à la récupération de l'énergie électromagnétique ambiante pour les objets communicants autonomes." Nantes, 2013. http://archive.bu.univ-nantes.fr/pollux/show.action?id=1662e015-4123-47ef-a212-53bb99182204.

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Abstract:

Les travaux de cette thèse sont axés sur la récupération de l’énergie électromagnétique ambiante en vue d’améliorer la durée de vie des objets communicants autonomes. Les émissions radiofréquences de la téléphonie mobile et sans fil, du wifi et éventuellement de la radio et la télévision peuvent être captées et transformées en tension continue pour alimenter des systèmes nomades tels que les téléphones portables, les capteurs sans fils de données environnementales, les ordinateurs, etc. Une antenne large bande ou multi-bande associée à un circuit de redressement haute fréquence, à base de diode Schottkydoit être optimisée pour la réception et le redressement des puissances faibles de ces émissions (de l’ordre de quelques micro watt par cm²). Un travail important sur l’optimisation à la fois dans le domaine de fréquence et surtout dans le domaine de puissance est effectué dans cette thèse. Les simulateurs hautes fréquences circuit ADS et électromagnétique HFSS sont utilisés pour concevoir les antennes redresseuses. Les rendements de conversion obtenus suite aux travaux de cette thèse placent le laboratoire au niveau de l’état de l’art international
The research works of this thesis are focused on the ambient electromagnetic energy harvesting to improve the life time of wireless autonomous devices. The waves produced by cellular telephones, Wireless Internet and also radio and television transmissions may be captured and rectified to produce a continuous voltage able to supply mobile phones, environment data sensors, computers, etc. Broadband or multiband antennas, combined to a high frequency rectifying circuits with Schottky diodes must be optimized for the reception and rectifying of a very low level electromagnetic power (about a few micro watts per cm2). In this thesis, an important optimization work is done in frequency domain and especially in power domain. The high frequency circuit simulator ADS and high frequency electromagnetic simulator HFSS, are used to design the rectenna. The obtained conversion efficiencies place our laboratory in the international state of the art in electromagnetic energy harvesting

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Serairi, Linda. "Elaboration et conception des dispositifs de la récupération d’énergie à base de nanofils de ZnO et de microfibres de PVDF-TrFE." Thesis, Paris Est, 2017. http://www.theses.fr/2017PESC1189/document.

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Abstract:

Le développement des énergies renouvelables peut non seulement compenser le manque d'énergie fossile à l'avenir, mais aussi sauver notre planète en réduisant la pollution par les émissions de CO2. Les matériaux piézoélectriques ont la capacité de convertir les mouvements mécaniques environnementaux en énergie électrique. Dans le cadre de cette thèse, deux types de matériaux piézoélectriques ont été étudiés pour la récupération d’énergie : les nanofils de ZnO et les microfibres de PVDF-TrFE. L’objectif ultime de cette thèse est de réaliser les dispositifs de la récupération d’énergie à faible coût pour rendre les capteurs autonomes.Au cours de la dernière décennie, les nanofils de ZnO ont suscité un grand intérêt dans le domaine de la recherche en raison de leurs multifonctionnalités avec un grand potentiel d’applications dans les différents domaines (récupération d’énergie par effet piézoélectrique et photovoltaïque, capteurs biologiques & chimiques, dépollution de l’eau & de l’air par effet photocatalytique, …). Le PVDF-TrFE est un polymère attrayant dans les applications de la récupération d'énergie en raison de ses propriétés piézoélectriques, son faible coût et sa grande flexibilité mécanique.Dans ce travail, deux méthodes de synthèse ont été employées pour obtenir les micro- & nanomatériaux piézoélectriques : Hydrothermale pour les réseaux verticaux des nanofils de ZnO et Electrospinning pour les microfibres de PVDF-TrFE. Les conditions de synthèse ont été optimisées afin d’obtenir les échantillons adéquats aux applications envisagées. Ensuite, deux types de dispositifs de la récupération d’énergie ont été fabriqués. Dans un premier temps, nous avons conçu des microgénérateurs (MGs) à base des microfibres de PVDF-TrFE déposées sur le substrat Kapton. Ces MGs flexibles basés sur l’effet piézoélectrique direct permettant la conversion de l’énergie mécanique en énergie électrique à basse fréquence de l’ordre d’hertz. Le second type de nanogénérateurs (NGs) est basé sur des nanofils verticaux de ZnO sur le substrat en silicium. Les tests de la récupération d’énergie ont été réalisés dans une gamme de fréquences de quelques centaines d’hertz pour l’application aéronautique
Development of renewable energy can not only compensate for the lack of fossil energy in the future, but also save our planet by reducing CO2 emission pollution. Piezoelectric materials have the ability to convert environmental mechanical movements into electrical energy. In this thesis, two types of piezoelectric materials have been studied for energy harvesting: ZnO nanowires and PVDF-TrFE microfibers. The ultimate goal of this thesis is to realize the low cost energy harvesting devices for self-powered sensors.Over the past decade, ZnO nanowires had attracted a great interest in the research field due to their multifunctionality with a great potential in the various applications (energy harvesting by piezoelectric and photovoltaic effect, bio & chemical sensors, water & air purification by photocatalytic effect ...). PVDF-TrFE is also an attractive polymer in energy harvesting due to its piezoelectric properties, high mechanical flexibility, and also for its low cost.In this work, two synthesis methods have been used to obtain the piezoelectric micro- & nanomaterials: Hydrothermal for the ZnO nanowire arrays and Electrospinning for the PVDF-TrFE microfibers. The synthesis conditions have been optimized in order to obtain the suitable samples for the applications. Then, two types of energy harvesting devices were manufactured. First, we realized the microgenerators (MGs) based on the PVDF-TrFE microfibers deposited on the Kapton substrate. These flexible MGs based on the direct piezoelectric effect allowing the conversion of mechanical energy into electrical energy at low frequency of the order of hertz. The second type of nanogenerators (NGs) is based on ZnO nanowire array on the silicon substrate. The energy harvesting tests were carried out in a frequency range of a few hundred hertz for the aeronautical application

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Monthéard, Romain. "Récupération d'énergie aéroacoustique et thermique pour capteurs sans fil embarqués sur avion." Thesis, Toulouse, INSA, 2014. http://www.theses.fr/2014ISAT0026/document.

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Abstract:

Ces travaux portent sur la question de l’autonomie énergétiquedes capteurs sans fil dans un contexte aéronautique, à laquelle la récupérationet le stockage d’énergie ambiante sont susceptibles d’apporter uneréponse. Nous étudions dans un premier temps la génération thermoélectrique,destinée à être appliquée au suivi du vieillissement structurelprès de la zone moteur, et débouchant sur la réalisation d’un démonstrateur.Nous proposons ensuite une architecture de stockage capacitif qui,en s’adaptant à son état de charge, vise à améliorer la performance de cettesolution de stockage en termes de temps de démarrage, de taux d’utilisationd’énergie et sous certaines conditions, de transfert d’énergie. Finalement,nous rapportons les résultats d’une étude prospective sur la récupérationd’énergie du vent relatif grâce au phénomène aéroacoustique. Nousmontrons que cette méthode présente un potentiel énergétique intéressant,puis nous présentons la conception et la réalisation d’un circuit optimiséde gestion de l’énergie, permettant d’alimenter grâce à cette technique uncapteur sans fil de température
This work adresses the issue of energy autonomy within wirelesssensor networks embedded in aircrafts, which may be solved throughambient energy harvesting and storage. In a first study, we develop a demonstratorbased on thermal gradients energy harvesting, which is designedto supply power to a structural health monitoring system implementednear the engine zone. Thereafter, we introduce a capacitive storagearchitecture which self-adapts to its own state of charge, aiming at improvingits performance in terms of startup time, the energy utilization ratioand under some conditions, the energy transfer. Finally, we report the resultsof a prospective study on aeroacoustic energy harvesting appliedto the relative wind. It is shown that this method exhibits an interestingpotential in terms of generated power, then we introduce the design andthe realization of an optimized energy management circuit, allowing ourtechnique to supply power to a wireless temperature sensor

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Durand-Estèbe, Paul. "Systèmes de récupération d'énergie pour l'alimentation de capteurs autonomes pour l'aéronautique." Thesis, Toulouse, INSA, 2016. http://www.theses.fr/2016ISAT0033/document.

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Abstract:

Ces travaux portent sur la récupération et le stockage d’énergie pour l’alimentation de capteurs sans fil dans un contexte aéronautique. Dans un premier temps, nous présentons la problématique particulière de l’alimentation des capteurs sans fil dans un tel domaine et dressons un état de l’art des différentes technologies de stockage et de récupération pouvant répondre à ce besoin. Dans un deuxième temps, à travers l’étude et la réalisation de deux récupérateurs, nous montrons les possibilités qu’apporte cette technologie et détaillons les contraintes de conception qu’impose le milieu afin d’obtenir une alimentation robuste et fiable. Le premier récupérateur présenté est une alimentation photovoltaïque située sur l’extrados de l’aile d’un A321 alimentant des bandes de capteurs sans fil proches. Le système fournit 2 watts, fonctionne par temps couvert et résiste aux températures fortement négatives (-50°C) et aux basses pressions (200hPa) qui sont rencontrées à l’altitude de croisière de cet appareil. Le deuxième récupérateur est une alimentation thermoélectrique placée dans le mât réacteur d’un A380 pour alimenter un système de capteurs dédié à la surveillance de l’état de structure. Le système résiste aux températures élevées (300°C) et aux importantes vibrations de la zone d’installation et produit l’énergie nécessaire à l’alimentation du système de capteurs. Les choix et les étapes de conception ayant menés aux deux systèmes sont détaillés, tant au niveau de l’assemblage mécanique que des circuits électroniques
This work deals with energy harvesting and storage to power aircraft embedded wireless sensors. First, we discuss the issue of powering wireless sensors in an aircraft and we present a state of the art of the various energy harvesting and storage technologies that could be used. Then, through the design and construction of two harvesters, we show the possibilities offered by this technology and we explain the design constraints imposed by the application to get a reliable and robust power supply. The first harvester is a photovoltaic power supply located on the upper surface of an A321’s wing supplying a wireless sensors belt nearby. The systems provides 2 watts to the load, works with cloudy weather and is highly resistant to negative temperature (-50°C) and low pressure (200hPa) that are met at aircraft cruising altitude. The second harvester is a thermoelectric power supply located in an A380 pylon supplying a structural health monitoring system. The harvester is highly resistant to high temperature (300°C) and severe vibrations of the installation area and manages to generate the required energy to supply the structural health monitoring sensors. Mechanical and electronic design steps and choices that led to both harvesters are detailed and discussed

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Nesser, Hussein. "Fabrication et caractérisation des MEMS composite pour la récupération d'énergie mécanique." Electronic Thesis or Diss., Bordeaux, 2016. http://www.theses.fr/2016BORD0269.

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Abstract:

Les récents progrès dans le domaine des MEMS organiques suscitent un intérêt croissant dans la substitution de micropoutres inorganiques par des micropoutres organiques pour diverses applications. N’ayant été étudiée qu’en mode statique, la réponse électrostrictive des MEMS organiques est présentée pour la première fois en mode dynamique. L’une des originalités de ce travail est de fabriquer un micro-récupérateur d’énergie mécanique avec une approche « tout-organique ». Dans cette thèse, des matériaux nanocomposites à base d’oxyde de graphène réduit (rGO) dispersé dans du poly-dimethyl siloxane (PDMS), sont utilisés pour la récupération de l'énergie mécanique vibratoire avec une transduction électrostrictive. Le dispositif génère une densité de puissance électrique de 8,15 W/cm3 pour une accélération de 1 g au premier mode de résonance (≈ 17 Hz)
Recent advances in the field of organic MEMS have generated interest in the substitution of inorganic microbeams by organic ones for various applications. Until now, the use of electrostrictive materials is limited to the MEMS operating mostly in static mode. The electrostrictive response of organic MEMS is presented here for the first time in dynamic mode. One of the originality of this work is to produce a micro-mechanical energy harvester fabricated in an all-organic approach. In this thesis, strain sensitive nanocomposite materials based on reduced graphene oxide (rGO) dispersed in polydimethylsiloxane (PDMS) are used for mechanical vibratory energy harvesting with an electrostrictive transducer. With an acceleration of 1 g of the microcantilever base, actuation at the first resonant mode (≈ 17 Hz) generates an electrical power density of 8.15 μW/cm3

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Zielinski, Mateusz. "Système distribué actif sans fil basse consommation pour l'amortissement des vibrations." Thesis, Ecully, Ecole centrale de Lyon, 2015. http://www.theses.fr/2015ECDL0029/document.

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Abstract:

Depuis des siècles nous utilisons des véhicules équipés des systèmes de suspension de vibrations. Ils permettent d'avoir un confort acceptable et ajoutent de la sécurité à la conduite. Les nouveaux systèmes installés dans les véhicules sont des systèmes actifs. Ils peuvent être adaptés selon les exigences en temps réel. Ces types de systèmes sont utilisés pour l'amortissement de vibrations et pour l’isolation vibro-acoustique. Dans la thèse nous présentons une nouvelle approche d'un système adaptatif pour les applications automobiles. Nous faisons l'hypothèse qu’un portage d'un système centralisé en système distribué peut améliorer son efficacité. Nous proposons un réseau de capteurs sans fil pour l’amortissement de vibrations dans les applications automobiles. Un capteur du réseau est capable de mesurer des vibrations, d’amortir des vibrations et de récupérer l’énergie depuis les vibrations en utilisant un seul élément piézoélectrique (la méthode Serial-SSHI). Ensuite nous validons le réseau de capteurs sur une structure mécanique de type plaque. Les mesures sont comparées avec des simulations d’éléments finis. Les résultats des mesures et des simulations confirment le choix des solutions. Le nœud du réseau fournit ses fonctionnalités destinées avec une efficacité acceptable. Nous validons la récupération d’énergie depuis les vibrations et la mesure des vibrations. Ensuite nous validons un effet local d’amortissement de vibrations et un effet global (le réseau de capteurs permet d’avoir une action d’amortissement complémentaire)
For centuries we have used vehicles equipped with the vibration suspension systems. These systems are used to provide comfort and safety. Nowadays we are implementing the active systems which can be adapted according to the real-time requirements. These types of systems are used to damp vibrations and to provide noise and vibration insulation. In the thesis we present a new approach of an adaptive system for automotive applications. We assume that a porting of a centralized system in a distributed system can improve its effectiveness. We offer a wireless sensor network for damping vibration in automotive applications. A network sensor is able to measure the vibrations, damp the vibrations and energy harvesting from vibrations by using a single piezoelectric element (Serial-SSHI method). We validate the network of nodes on a mechanical structure. The measurements are compared with finite element simulations. The results of measurements and simulations confirm the choice of solutions. The network node provides designed functionality with acceptable efficiency. We also validate the energy harvesting and the vibration measurements. The outcome of the work confirm a local effect of vibrations damping and a global effect (the designed Wireless Sensor Network provides a supplementary damping action)

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Huguet, Thomas. "Vers une meilleure exploitation des dispositifs de récupération d’énergie vibratoire bistables : Analyse et utilisation de comportements originaux pour améliorer la bande passante." Thesis, Lyon, 2018. http://www.theses.fr/2018LYSEI113/document.

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Abstract:

Cette thèse concerne la récupération d'énergie vibratoire dans le but de proposer une alternative aux batteries conventionnelles pour l’alimentation de systèmes autonomes sans fil. Ceci permettrait d’améliorer leur compacité (moins d’énergie stockée), leur tenue dans des environnements sévères (forte température) et de réduire leur besoin d'entretien. Cette étude se concentre plus particulièrement sur les générateurs oscillants bistables, intéressants pour leur grande plage de fréquences utile comparée à celle offerte par les générateurs linéaires (limitée à la zone de résonance). Cette thèse se divise en quatre grandes parties. La première présente la construction du modèle mathématique permettant de prédire les différents comportements du générateur bistable (ces derniers pouvant coexister sur certaines plages de fréquences) incluant l'étude de la stabilité aux petites perturbations. Ce modèle met en évidence des comportements du générateur encore peu exploités pour la récupération d'énergie : les comportements sous-harmoniques dont la plage de fréquences permet d'agrandir la bande passante globale du générateur. Afin d’améliorer la précision du modèle, celui-ci est ensuite complété dans la deuxième partie par un critère semi-analytique : le critère de robustesse de stabilité qui caractérise la sensibilité du générateur aux perturbations extérieures (plus un comportement est robuste plus il sera facile à maintenir dans le temps). Le modèle ainsi obtenu ainsi que le système expérimentale montrent une grande plage de fréquences sur laquelle coexistent des comportements intéressants pour la récupération d’énergie (les orbites hautes) et des comportements non désirables (les orbites basses). La troisième partie de cette thèse présente donc différentes stratégies permettant de sauter des orbites basses vers les orbites hautes en jouant directement sur les paramètres du générateur. Enfin, la quatrième et dernière partie s’attarde sur l’influence du circuit d'interface AC-DC entre le générateur bistable et la charge en vue de son intégration future
This thesis concerns vibratory energy harvesting in order to propose an alternative to conventional batteries for the power supply of autonomous wireless systems. This would improve their compactness (less stored energy), their resistance to harsh environments (high temperature) and reduce their need for maintenance. This study focuses in particular on bistable oscillating generators, which are interesting for their large useful frequency range compared to that offered by linear generators (limited to the resonance zone). This thesis is divided into four main parts. The first presents the construction of the mathematical model to predict the different behaviors of the bistable generator (these behaviors can coexist over certain frequency ranges) including the study of stability to small disturbances. This model highlights original behaviors for energy recovery: subharmonic behaviors whose frequency range allows increasing the overall generator bandwidth. In order to improve the accuracy of the model, a semi-analytical criterion is then added: the stability robustness criterion which characterizes the sensitivity of the different behaviors to external disturbances (the more robust a behavior, the easier to maintain over time). The model obtained and the experimental prototype show a wide frequency range on which the interesting behaviors (high orbits) and the undesirable behaviors (low orbits) coexist. The third part of this thesis therefore presents different strategies for jumping from low to high orbits by playing directly on the generator parameters. Finally, the fourth and last part focuses on the influence of the AC-DC interface circuit between the bistable generator and the load for future integration

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Ben, Achour Mohamed Aymen. "Etude des propriétés piézoélectriques du polymère biosourcé PLA pour la récupération d'énergie vibratoire." Electronic Thesis or Diss., Valenciennes, Université Polytechnique Hauts-de-France, 2021. http://www.theses.fr/2021UPHF0025.

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Abstract:

La potentialité des films PLA produits par extrusion et étirés uniaxialement par MDO à partir des grades industriels a été investiguée pour la récupération d’énergie vibratoire par effet piézoélectrique. Une technique de caractérisation du coefficient piézoélectrique plus adaptée aux films polymères a été testée et validée sur un film piézoélectrique commercial de PVDF, puis utilisée pour évaluer le coefficient piézoélectrique d14 des films PLA. Une étude physico-chimique a été menée afin de comprendre les relations entre les observables piézoélectriques des films PLA et les modifications structurales (orientation moléculaire, cristallinité et nature des phases cristallines) apportées par les conditions d’élaboration des films. Un banc de test de récupération d’énergie reposant sur l’application des déformations de traction dynamiques a été utilisé pour évaluer la capacité des PLAs à convertir des vibrations mécaniques en énergie électrique. Une comparaison avec du PVDF commercial a été réalisée. Un modèle électro-mécanique équivalent a été développé et a permis de décrire l’évolution de la puissance électrique récupérée en fonction des conditions de sollicitations mécaniques pour différents grades de PLA ainsi que pour le PVDF. Ce modèle étant validé, a été utilisé pour prédire l’effet de la variation des différents paramètres intrinsèques (qualités mécaniques et piézoélectriques des polymères) et extrinsèques (conditions de sollicitations mécaniques et adaptation d’impédance électrique). Enfin, pour de futures applications, nous avons évalué la potentialité du PLA (sous forme de film ou de textile) pour des applications comme capteur de déformation, de force dynamique et de chocs mais aussi pour l’émission et la réception ultrasonore
The potentiality of PLA films produced by extrusion and uniaxial stretching by MDO of industrial grades has been investigated for the energy harvesting by piezoelectric transformation. A piezoelectric coefficient characterization technique suitable for polymer films was tested and validated on a commercial PVDF piezoelectric film. It was then used to evaluate the d14 coefficient of PLA films. A study on the effect of structural parameters of the PLAs on their piezoelectric behaviour was carried out. An energy recovery test bench based on the application of dynamic tensile strains was used to assess the capability of PLAs to convert mechanical vibrations into electrical energy. A comparison with commercial PVDF was carried out. An equivalent electro-mechanical model was developed and made it possible to describe the evolution of power as a function of mechanical stress conditions for different grades of PLA as well as for PVDF. This model, was used to predict the effect of the variation of the various intrinsic parameters (mechanical and piezoelectric qualities of polymers) and extrinsic (characteristics of the vibratory source and electrical impedance matching). Finally, for future applications, we evaluated the potentiality of PLA (in film or textile form) for applications as a dynamic deformation, dynamic force and shock sensor and also for ultrasonic emission and reception

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Huet, Florian. "Développement de structures hybrides électromécaniques pour micro-sources d'énergie : générateurs piézoélectriques linéaires et non linéaires." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016GREAA029/document.

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Abstract:

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
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

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Sainthuile, Thomas. "Récupération d'Energie Vibratoire pour Systèmes de Contrôle Santé Intégré de Structures Aéronautiques." Thesis, Valenciennes, 2012. http://www.theses.fr/2012VALE0036/document.

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Abstract:

L’objectif de cette thèse est de réaliser un système de Contrôle Santé Intégré des structures aéronautiques (CSI ou SHM) autonome et à double-fonctionnalité. Ce système doit être en mesure d’assurer son autonomie énergétique tout en réalisant les tâches de détection et de localisation des endommagements. Latechnique retenue pour alimenter ce système est basée sur la récupération d’énergie vibratoire par transducteurs piézoélectriques SHM collés. Durant ces travaux, un modèle analytique complet de la chaîne de récupération d’énergie vibratoire a d’abord été créé. Ce modèle, validé par la Méthode des ÉlémentsFinis (MEF), permet d’améliorer le rendement du système en déterminant les dimensions, les locali-sations et le type de matériau piézoélectrique idéals des transducteurs. Ce modèle a ensuite été étendu à une configuration plus représentative des conditions de vibrations d’une structure en vol. Une bonne corrélation entre les résultats provenant du modèle prédictif et les essais sur un banc de mesures a étémise en évidence. Une puissance de 1.67mW a été récupérée et la capacité large bande des transducteurs a été vérifiée. L’application de la récupération d’énergie au contrôle de structures composites en cours d’assemblage sur les lignes de production a également été étudiée. Dans ce cas, un transducteur stratégiquement localisé et alimenté par une source de tension disponible génère des ondes de Lambdans la structure afin de pallier l’absence de vibrations naturelles. Un réseau de transducteurs secondaires disséminés sur cette structure récupère et convertit cette énergie vibratoire en énergie électrique. Une puissance de 7.36 mW a été récoltée et ce système a été en mesure de détecter une chute d’outil sur le composite et d’éclairer de façon autonome une diode électroluminescente (DEL) simulant ici la consommation de la transmission sans fil de l’information
The aim of this thesis is to develop a self-powered Structural Health Monitoring (SHM) system for aeronautical applications. This system has to be fully autonomous and has to be able to carry out SHM tasks such as damage detection and location. The energetic autonomy of the system is provided by a vibrational energy harvesting technology using bonded SHM piezoelectric transducers. In this document,an analytical model of the energy harvesting process has been proposed. This model, validated by the Finite Element Method (FEM), allows the optimization of the energy harvesting system by determining the ideal type of transducers as well as their optimal dimensions and locations. Then, this model has been applied to a configuration aiming to be more representative of the in-flight vibrations experienced by a structure. Good agreement has been found between the analytical simulation and the experimental measurements. A power of 1.67mW has been harvested and the wideband capability of the transducers has been verified. Afterwards, the possibility of using the vibrational energy harvesting technology to control composite structures on assembly line has been investigated. For this case study, a transducer strategically located nearby an available power supply generates Lamb waves throughout the structure to tackle the absence of natural vibration. The remaining sensors, spread all over the structure, convertthe mechanical vibrations into electrical power. Using this technology, a power of 7.36mW has been harvested. Finally, this SHM system has also been able to detect a tool drop on the composite structure and to light simultaneously and autonomously a light-emitting diode (LED) simulating the consumption required to transmit the information wirelessly

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Chrir, Anass. "Dépôt de couches épaisses piézoélectriques par dépôt d’aérosol (ADM) : Maîtrise du procédé, résolution des défis post-recuit, et démonstration d’application en récupération d’énergie." Electronic Thesis or Diss., Limoges, 2024. http://www.theses.fr/2024LIMO0101.

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Abstract:

Cette thèse explore la fabrication de couches épaisses piézoélectriques sans plomb par la méthode de dépôt d’aérosol (ADM) pour des applications de récupération d’énergie vibratoire. Le travail a d'abord porté sur le dépôt de couches épaisses de BaTiO3 (BT), avec une maîtrise des paramètres de dépôt. Des films d’épaisseur supérieure à 100 µm ont été obtenus sur Kovar®, mais sans propriétés ferro/piézoélectriques en raison de l’effet de taille des grains. Des traitements thermiques au-dessus de 800°C ont permis de restaurer ces propriétés, grâce à la croissance des grains induite par le recuit. L'ajout de Li2CO3 (BT-Li) a réduit la température de recuit nécessaire à la restauration des propriétés fonctionnelles à 650°C, tout en les améliorant à 800 et 900°C. Néanmoins, les substrats de Kovar® ont montré une oxydation après recuit pour toutes les conditions de température et d’atmosphère. Ainsi, des substrats en inox (SUS) ont été utilisés avec succès pour les films de BT et BT-Li, conduisant à des améliorations après recuit. À plus de 900°C, l'insertion du lithium dans le réseau de BT a durci le comportement ferroélectrique et dégrader la réponse piézoélectrique des films BT-Li. Des films de NBT-6BT ont également été déposés sur SUS, montrant des propriétés intéressantes après recuit. Un volet novateur a été l’exploration le co-dépôt par ADM des composites céramique-polymère (CCP), permettant d’obtenir des films avec des propriétés ferro/piézoélectriques sans recuit. Ces films ont été déposés sur Kovar®, polyimide et silicium, ouvrant la voie à des applications sur tout type de substrats, y compris ceux sensibles à la température comme les polymères. Enfin, des démonstrateurs de récupération d’énergie ont été fabriqués avec des couches de BT, NBT-6BT et CCP, tous validant la récupération d’énergie, y compris les démonstrateurs CCP non recuits
This thesis explores the fabrication of lead-free piezoelectric thick films using the Aerosol Deposition Method (ADM) for energy harvesting applications. The work initially focused on the deposition of thick BaTiO3 (BT) layers, with a mastering of the deposition parameters. Films over 100 µm thick were successfully deposited onto Kovar® but lacked ferro/piezoelectric properties due to the grain size effect. Heat treatments above 800 °C restored these properties, thanks to annealing-induced grain growth. The addition of Li2CO3 (BT-Li) reduced the annealing temperature required to restore the functional properties to 650°C, while improving them at 800 and 900°C. Nevertheless, Kovar® substrates showed oxidation after annealing for all temperature and atmosphere conditions. Hence, stainless steel (SUS) substrates were used successfully for BT andBT-Li films, leading to improvements after annealing. Above 900°C, lithium insertion into the BT lattice hardened the ferroelectric behavior, and reduced the piezoelectric response. NBT-6BT films were also deposited onto SUS sheets, showing promising properties after annealing. An innovative aspect of this thesis was the exploration of the co-deposition of ceramic-polymer composites (CPC), making it possible to obtain films with ferro/piezoelectric properties without annealing. These films were deposited onto Kovar®, polyimide and silicon, paving the way for applications on all types of substrates, including temperature-sensitive ones such as polymers. Finally, energy recovery demonstrators were fabricated with BT, NBT-6BT and CPC layers, all validating energy harvesting potential, including non-annealed CPC demonstrators

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Sridi, Mohamed. "Développement d'un système d'alimentation d'un noeud de capteur sans fils à partir d'un récupérateur piézoélectrique pour des applications dans l'automobile." Mémoire, Université de Sherbrooke, 2015. http://hdl.handle.net/11143/6732.

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Abstract:

Le développement intensif de l’électronique à très faible consommation énergétique et des technologies de communication sans fils ont permis l’apparition des nœuds de capteur sans fils dans plusieurs domaines. Un nœud de capteur sans fils devrait être un système autonome. Néanmoins, les batteries sont utilisés jusqu’à aujourd’hui pour son alimentation. L’utilisation des batteries comme source d’énergie présente des défis majeurs tels que le coût de remplacement et d’entretien. L’objectif de ce projet est de valider la possibilité d’alimentation d’un nœud de capteur sans fils à partir de l’énergie vibratoire à travers un récupérateur piézoélectrique. Un système d’alimentation complet d’un nœud de capteur sans fils contient le transducteur piézoélectrique, une unité de gestion de puissance et un élément de stockage. Ce mémoire de maîtrise présente les travaux élaborés dans le but de définir une configuration bien adaptée d’un système d’alimentation autonome complet. La réalisation de ce projet a nécessité le développement d’un démonstrateur expérimental du système en se basant sur des composants commerciaux. Ce démonstrateur a permis de valider la faisabilité du système de récupération d’énergie vibratoire pour des excitations qui peuvent exister dans le domaine de l’automobile en termes de fréquence de résonance et amplitudes d’accélération. Tout d’abord, les besoins énergétiques du nœud de capteur à alimenter et du circuit de gestion de puissance sélectionné ont été caractérisés expérimentalement en établissant une communication entre le nœud et une station de base. À partir de ces résultats, le transducteur piézoélectrique et l’élément de stockage adéquats ont été déterminés. Dans notre cas, le transducteur piézoélectrique choisi est soumis à une excitation harmonique d’amplitude 0.3 g et de fréquence de 65.8 Hz. Il alimentait le nœud de capteur sans fils développé opérant à une période de transmission de 17s à travers le circuit de gestion de puissance de faibles pertes favorisant le transfert optimal d’énergie entre l’entrée et la sortie du système. La fonctionnalité du système a été mise en évidence et une méthodologie comportant les différentes considérations à tenir en compte lors de développement de ce type de système a été proposée. Il est démontré que l’étude énergétique du système est un atout pour son développement. En effet, le design du transducteur piézoélectrique doit être fait de telle façon que la puissance générée par le récupérateur piézoélectrique soit supérieure à la puissance requise par le reste du système. Pour cela, la source de vibration doit être caractérisée en termes de fréquence et amplitude d’accélération. La puissance totale requise par le nœud de capteur et le circuit de gestion de puissance doit être déterminée. Le dimensionnent de l’élément de stockage doit aussi tenir compte de l’énergie totale requise par la charge.

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Zaraket, Elie. "Réalisation d’une 'méta-peau' récupératrice d’énergie électromagnétique pour des applications WBAN." Electronic Thesis or Diss., Bordeaux, 2025. http://www.theses.fr/2025BORD0035.

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Abstract:

Les progrès récents dans le domaine des technologies biomédicales et de la santé connectée ont considérablement accéléré le développement de dispositifs flexibles et portables pour une surveillance continue de la santé. Le marché de l'Internet des Objets Médicaux (IoMT) devrait connaître une croissance rapide avec un taux annuel de 38.5% entre 2024 et 2032, largement porté par les Réseaux de Capteurs Corporels Sans Fil (WBAN). Cependant, la conception de dispositifs IoT portables, miniaturisés et biocompatibles, capables de fonctionner de manière autonome, reste un défi majeur, en particulier pour les capteurs physiologiques. Cette thèse propose le développement d’un système portable de récupération d'énergie sous la forme d’un dispositif appliqué sur la peau, destiné à la surveillance de l'état physiologique. L’un des principaux défis de ce travail réside dans l’impact du corps humain sur les performances des antennes, qui sont directement influencées lorsqu’elles sont positionnées sur la peau. Les Conducteurs Magnétiques Artificiels (AMC) apparaissent comme une solution prometteuse en tant que réflecteurs pour des antennes à faible profil fonctionnant dans les bandes GSM et WiFi. Grâce à leurs propriétés de réflexion à phase nulle, les AMCs permettent d’améliorer les performances des antennes tout en éliminant la nécessité d’un plan de masse volumineux de type quart d’onde. Les tests expérimentaux réalisés sur une antenne à double bande équipée d’un AMC ont démontré une distorsion minimale des performances pour les applications WBAN. Enfin, l’intégration d’un convertisseur RF-DC permet à la rectenna de fonctionner comme un collecteur d’énergie portable et autonome, tout en fournissant une tension redressée de 1V à environ -17.5 dBm, ce qui est suffisant pour alimenter certains capteurs physiologiques
Recent advancements in remote healthcare and biomedical technologies are rapidly accelerating the development of flexible, wearable devices for continuous health monitoring. The Internet of Medical Things (IoMT) market is projected to grow at a Compound Annual Growth Rate (CAGR) of 38.5% between 2024 and 2032, with Wireless Body Area Networks (WBAN) serving as a critical driver of this growth. Thus far, the expansion of IoT devices has faced challenges in designing wearable, miniaturized, and biocompatible prototypes with power-autonomous operation for physiological sensors. Therefore, this thesis aims to develop a wearable Energy-Harvesting (EH) system, in the form of a skin-applied device, designed for monitoring physiological conditions. The primary challenge of this research is the impact of the human body on the antenna system's performance when positioned directly on the skin. The body absorbs part of the radiation, which significantly reduces the efficiency of the EH system. In this context, Artificial Magnetic Conductors (AMC)s present a promising solution as reflectors for low-profile antennas, in the GSM and WiFi bands. By leveraging their inherent zero-phase reflection properties, AMCs improve antenna performance while eliminating the need for a bulky quarter-wave backplane. The real-world tests of the dual-band AMC-backed antenna showed minimal performance distortion for WBAN applications. Finally, the integration of a designed RF-to-DC converter enables the rectenna to function as an autonomous wearable energy harvester, providing a rectified voltage of 1V at approximately -17.5 dBm, suitable for powering certain physiological sensors

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Hinchet, Ronan. "Electromechanical study of semiconductor piezoelectric nanowires. Application to mechanical sensors and energy harvesters." Thesis, Grenoble, 2014. http://www.theses.fr/2014GRENT013/document.

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Abstract:

Les systèmes intelligents sont le résultat combiné de différentes avancées en microélectronique et en particulier de l’augmentation des puissances de calcul, la diminution des consommations d’énergie, l'ajout de nouvelles fonctionnalités et de moyens de communication et en particulier à son intégration et application dans notre vie quotidienne. L'évolution du domaine des systèmes intelligents est prometteuse, et les attentes sont élevées dans de nombreux domaines : pour la surveillance dans l'industrie, les transports, les infrastructures et l'environnement, ainsi que dans le logement, l'électronique grand public et les services de soins de santé, mais aussi dans les applications pour la défense et l’aérospatial. Aujourd’hui, l'intégration de plus en plus de fonctions dans les systèmes intelligents les conduisent vers un problème énergétique où l'autonomie devient le principal problème. Par conséquent, il existe un besoin croissant en capteurs autonomes et sources d'alimentation. Le développement de dispositifs de récupération d’énergie et de capteurs autoalimentés est une façon de répondre à ce problème énergétique. Parmi les technologies étudiées, la piézoélectricité a l'avantage d'être compatible avec l'industrie des MEMS. De plus elle génère des tensions élevées et elle possède un fort couplage direct entre les physiques mécaniques et électriques. Parmi les matériaux piézoélectriques, les nanofils (NFs) semi-conducteurs piézoélectriques pourraient être une option prometteuse car ils présentent des propriétés piézoélectriques plus importantes et une plus grande gamme de flexion.Parmi les différents NFs piézoélectriques, les NFs de ZnO et de GaN sont les plus étudiés. A l'échelle nanométrique leurs propriétés piézoélectriques sont plus que doublées. Ils ont l'avantage d'être compatible avec l’industrie microélectronique et raisonnablement synthétisable par des approches top-down et bottom-up. En particulier, nous avons étudié la croissance par voie chimique de NFs de ZnO. Pour les utiliser correctement, nous avons étudié le comportement des NFs de ZnO. Nous avons effectué une étude analytique et des simulations par éléments finis (FEM) d'un NF de ZnO en flexion. Ces études décrivent la distribution du potentiel piézoélectrique en fonction de la force et permettent d’établir les règles d'échelle et de dimensionnement. Ensuite, nous avons développé la caractérisation mécanique par AFM du module de Young de NFs de ZnO et de GaN, puis nous avons effectué des caractérisations piézoélectriques par AFM de ces NFs pour vérifier leur comportement sous des contraintes mécaniques de type flexion. Une fois leur comportement physique compris, nous discutons des limites de notre modèle de NFs piézoélectriques en flexion et nous développons un modèle plus réaliste et plus proche des configurations expérimentales. En utilisant ce nouveau modèle, nous avons évalué le potentiel des NFs de ZnO pour les capteurs de force et de déplacement en mesurant le potentiel généré sous une contrainte, puis, sur la base d’expériences, nous avons évalué l'utilisation de NFs de GaN pour les capteurs de force en mesurant le courant au travers des NFs contraints. De même, nous avons évalué le potentiel de ces NFs pour les applications de récupération d'énergie liées aux capteurs autonomes. Pour bien comprendre la problématique, nous avons étudié l’état de l’art des nano générateurs (NG) et leurs architectures potentielles. Nous analysons leurs avantages et inconvénients, afin de définir une structure de NG de référence. Après une brève étude analytique de cette structure pour comprendre son fonctionnement et les défis, nous avons effectué plusieurs simulations FEM pour définir des voies d'optimisation pour les NG utilisé en mode de compression ou de flexion. Enfin la fabrication de prototypes et leurs caractérisations préliminaires sont présentées
Smart systems are the combined result of different advances in microelectronics leading to an increase in computing power, lower energy consumption, the addition of new features, means of communication and especially its integration and application into our daily lives. The evolution of the field of smart systems is promising, and the expectations are high in many fields: Industry, transport, infrastructure and environment monitoring as well as housing, consumer electronics, health care services but also defense and space applications. Nowadays, the integration of more and more functions in smart systems is leading to a looming energy issue where the autonomy of such smart systems is beginning to be the main issue. Therefore there is a growing need for autonomous sensors and power sources. Developing energy harvesters and self-powered sensors is one way to address this energy issue. Among the technologies studied, piezoelectricity has the advantage to be compatible with the MEMS industry, it generates high voltages and it has a high direct coupling between the mechanic and electric physics. Among the piezoelectric materials, semiconductor piezoelectric nanowires (NWs) could be a promising option as they exhibit improved piezoelectric properties and higher maximum flexion.Among the different piezoelectric NWs, ZnO and GaN NWs are the most studied, their piezoelectric properties are more than doubled at the nanoscale. They have the advantage of being IC compatible and reasonably synthesizable by top-down and bottom-up approaches. Especially we studied the hydrothermal growth of ZnO NWs. In order to use them we studied the behavior of ZnO NWs. We performed analytical study and FEM simulations of a ZnO NW under bending. This study explains the piezoelectric potential distribution as a function of the force and is used to extract the scaling rules. We have also developed mechanical AFM characterization of the young modulus of ZnO and GaN NWs. Following we perform piezoelectric AFM characterization of these NWs, verifying the behavior under bending stresses. Once physics understood, we discuss limitation of our piezoelectric NWs models and a more realistic model is developed, closer to the experimental configurations. Using this model we evaluated the use of ZnO NW for force and displacement sensors by measuring the potential generated, and from experiments, the use of GaN NW for force sensor by measuring the current through the NW. But energy harvesting is also necessary to address the energy issue and we deeper investigate this solution. To fully understand the problematic we study the state of the art of nanogenerator (NG) and their potential architectures. We analyze their advantages and disadvantages in order to define a reference NG structure. After analytical study of this structure giving the basis for a deeper understanding of its operation and challenges, FEM simulations are used to define optimization routes for a NG working in compression or in bending. The fabrication of prototypes and theirs preliminary characterization is finally presented

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Adami, Salah-Eddine. "Optimisation de la récupération d'énergie dans les applications de rectenna." Phd thesis, Ecole Centrale de Lyon, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00967525.

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Les progrès réalisés durant ces dernières années dans le domaine de la microélectronique et notamment vis-à-vis de l'augmentation exponentielle de la densité d'intégration des composants et des systèmes a participé activement à l'apparition et au développement de systèmes portables communicants de plus en plus performants et polyvalents. La R&D dans les technologies de stockage d'énergie n'a pas suivi cette tendance d'évolution très rapide ; ce qui constitue un handicap majeur dans les évolutions futures des systèmes portables. La transmission d'énergie sans fils sur des distances considérables (plusieurs dizaines de mètres) grâce aux microondes constitue une solution très prometteuse pour pallier aux problèmes d'autonomie dans le cas des systèmes sans fils communicants. De plus, du fait de l'omniprésence des ondes électromagnétiques dans notre environnement avec des niveaux plus ou moins importants, la récupération et l'exploitation de cette énergie libre est également possible. La rectenna (Rectifying Antenna) est le dispositif permettant de capter et de convertir une onde électromagnétique en une tension continue. Plusieurs travaux de thèse axés sur l'étude et l'optimisation de la rectenna ont été réalisés au sein du laboratoire. Ces travaux avaient montré que pour des faibles niveaux de champs les tensions délivrées par la rectenna sont généralement très faibles et inexploitables. Aussi, comme la majorité des micro-sources d'énergie et à cause de son impédance interne, les performances de la rectenna dépendent fortement de sa charge de sortie. Ainsi, le développement d'un système d'interfaçage de la rectenna est nécessaire afin de pallier ces manquements inhérents du convertisseur RF/DC. Ce genre de système d'interfaçage est généralement absent dans la littérature à cause des faibles niveaux de puissance exploités. Par conséquent, la rectenna est très souvent utilisée tel quelle ; ce qui limite fortement le champ applicatif. Dans ce projet de recherche, un système de gestion énergétique de la rectenna complètement autonome a été conçu, développé et optimisé afin de garantir les performances optimales de la rectenna quelques soient les fluctuations de la puissance d'entrée et celles de la charge de sortie. Le circuit d'interfaçage permet également de fournir à la charge des niveaux de tension utilisables. Le système réalisé est basé tout d'abord sur l'utilisation d'un convertisseur DC/DC résonant pouvant fonctionner d'une manière complètement autonome à partir de niveaux très bas de la tension et de la puissance de la source. Ce convertisseur permet donc de garantir l'autonomie du système en éliminant la nécessité d'une source d'énergie auxiliaire. A cause de ses faibles performances énergétiques, ce convertisseur ne sera utilisé que durant la phase de démarrage. L'efficacité du système en termes de rendement énergétique et d'adaptation d'impédance est garantie grâce à l'utilisation d'un convertisseur Flyback fonctionnant dans son régime de conduction discontinu. Ainsi, une adaptation d'impédance très efficace est réalisée entre la rectenna et la charge de sortie. Ce convertisseur principal fonctionnera durant le régime permanent. Les deux convertisseurs ont été optimisés pour des niveaux de tension et de puissance aussi bas que quelques centaines de mV et quelques μW respectivement. Des mesures expérimentales réalisées sur plusieurs prototypes ont démontré le bon fonctionnement et les excellentes performances prédites par la procédure de conception ; ce qui nous permet de valider notre approche. De plus, les performances obtenues se distinguent parfaitement vis-à-vis de l'état de l'art. Enfin, en fonction de l'application désirée, plusieurs synoptiques d'association des deux structures sont proposés. Ceci inclut également la gestion énergétique de la charge de sortie.

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Faye, Mathieu Coumba. "Etude de systèmes basse consommation avec récupération d'énergie." Electronic Thesis or Diss., Aix-Marseille, 2019. http://www.theses.fr/2019AIXM0634.

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Habituellement, les antennes utilisées dans les technologies RFID communiquant en champ proche ont une surface relativement grande. La réduction de cette surface présente un fort intérêt dans la mesure où elle facilite l’intégration dans des objets de petite dimension. Cependant, elle conduit à une diminution considérable de l’énergie disponible. Une amélioration de l’efficacité de fonctionnement, de tous les dispositifs intégrés à la puce, est primordiale pour pouvoir conserver les mêmes fonctionnalités d’un système passif avec une taille d’antenne qui tend à se réduire. Toutefois, l’optimisation adéquate devra se faire au niveau du système global. Cela assurera une contribution optimale de chaque dispositif inclus dans le circuit mais aussi celle de l’antenne radiofréquence. A cela se rajoute la tendance, au sein des applications associées à ces technologies, à intégrer de plus en plus de données et à nécessiter des débits de plus en plus élevés. Afin de répondre à ces problématiques, nous avons mené des études systèmes permettant d’identifier les différents facteurs influents dans la récupération d’énergie et de proposer un système optimisé. Pour l’aspect communication, nous avons étudié et conçu une PLL, basée sur la synchronisation par injection et un algorithme de descente de gradient, permettant de fournir une image sinusoïdale de la porteuse RF. Cela a permis, d’apporter une solution à l’absence de signal RF, durant la modulation ASK. Mais surtout de rendre possible une démodulation quadratique analogique. Grâce à cette méthode, nous avons réussi à concevoir un système compatible avec les méthodes de modulation ASK et PSK
Near field RFID technologies use to embark loop antennas large enough to provide the amount of energy needed by the all the circuits they are interfaced with. Reducing the size of those antennas facilitates their integration into small sized objects and opens up the possibility of new applications. However, it also reduces the energy transfer capability of the system. In order to keep the same functionalities with this size reduction trend, it is clear that each important part of the integrated circuit need to have a higher efficiency. Although an overall optimization, ensuring an optimal contribution of each of all the parts of the system, is more fitting. In addition to this energy drop, the current applications create an increasing need of high data volume exchange and high data rates. The main objectives of thesis work are the optimization of the power transfer capabilities of 13.56MHz passive RF systems and the improvement of the communication circuits. A thorough study, to identify the key factors in RF power transfer, have been led. The ultimate goal being the design of an optimized system. For the communication aspect a discrete PLL, based on injection locking and gradient descent algorithm, was studied and designed. Thus introducing a new method of carrier recovery in this field. This PLL provides a synchronous clock to the system during OOK modulation and also a sine shaped clock for quadrature demodulation. This method was successfully tested on ASK and PSK modulated signals.Two chip have been design and manufactured, using STMicroelectronics 130nm technology for the power recovery system and UMC 55nm technology for the clock and data recovery system

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Boughaleb, Jihane. "Développement et intégration d'un récupérateur d’énergie thermique à base de bilames thermiques et de matériaux piézoélectriques." Thesis, Lyon, 2016. http://www.theses.fr/2016LYSEI114/document.

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Abstract:

Le développement des systèmes de récupération d'énergie est liée à l'émergence des applications de type Internet des objets (IoT) plus spécifiquement à la prolifération des réseaux de capteurs autonomes. Les progrès réalisés ces dernières années dans le domaine des technologies de l’information et de la communication ont permis de lever certains verrous technologiques au développement de ces réseaux de capteurs intelligents et autonomes, notamment grâce à l’amélioration des performances intrinsèques des composants microélectroniques (vitesse, consommation), la conception de circuits plus économes en énergie, ou bien la mise en place de standards de communications radio adaptés à ces contraintes énergétiques. Etant donné l’ubiquité des sources d’énergie, la fabrication de générateurs permettant d’alimenter directement ces capteurs et les rendre autonomes en énergie à partir de ces sources représente une alternative viable à l’utilisation de batteries pour prolonger la durée de vie de ces capteurs communicants. Diverses technologies de générateurs ont ainsi été proposées pour s’adapter aux différentes formes que peut prendre l’énergie, qu’elle soit d’origine thermique, mécanique ou solaire. Le présent travail est une contribution à l'élaboration d’un récupérateur d’énergie thermique à base de bilames thermiques et de matériaux piézoélectriques. Ce type de générateurs, proposé et développé au sein de STMicroelectronics à Crolles, se veut être une alternative fiable et bas coût à l’utilisation de matériaux thermoélectriques exploitant l’effet Seebeck pour générer de l’énergie électrique. Des preuves de concept de tels systèmes ont déjà été développées aussi bien à macro-échelle qu’a micro-échelle. Ce travail s’inscrit dans la continuité du développement d’un récupérateur d’énergie macroscopique reposant sur ce principe-là. L’objectif de cette thèse est dans un premier temps d’optimiser cette structure pour atteindre des niveaux de puissances plus élevés que la première preuve de concept puis dans un second temps, de réaliser son intégration afin d’effectuer des démonstrations de capteur autonome et confirmer la viabilité de la technologie développée pour de telles applications
The development of energy harvesting systems is linked to the emergence of the Internet of Things (IoT) more specifically to the proliferation of Wireless Sensor Networks that should respond to the growing needs for monitoring data in domains as diverse as the industry, the urban environments, the home or even the human body. Recent progress in the CMOS technology have enabled to remove some of the technical obstacles to the deployment of these smart and autonomous devices, specifically thanks to the improvements of the performances of microelectronic components, the design of ultra-low-power circuits and even the creation of wireless communication standards well adapted to the needs of wireless sensors. Given the availability of ambient energy sources like mechanical, thermal, light etc., energy harvesters are becoming reliable alternatives to batteries in order to extend the autonomy of these sensors. Consequently, various technologies of generators have been developed to harvest different kind of energies in function of their availability. The present work is a contribution to the development of a thermal energy harvester based on bimetallic strips heat engine and piezoelectric membranes. This type of technology developed by STMicroelectronics is intended to be a low cost alternative to thermoelectric generators exploiting the seebeck effect to convert heat into electricity. Based on this working principle, many harvesters both at the micro and macro scale have been fabricated. This thesis deals with the development of macroscopic energy harvesters whose first proofs of concept were established in a previous thesis. An important part of this manuscript deals with the thermal optimization of this energy harvester both in static and dynamic modes. Once the thermal properties improved, various piezoelectric materials were tested and compared to find the most adapted ones to our application and the same work is realized to choose the best device’s architecture. The integration of the energy harvester is then realized and wireless sensor node applications are demonstrated using various communication protocols and sensors. SPICE modeling of the system is also made and coupled with simulations of power management circuits developed by CEA’s design team. Finally, alternative ways to exploit wasted heat and vibrations are proposed through the development of piezoelectric bimetals and dual energy harvesters able to harvest thermal energy and mechanical energy at the same time: piezoelectric bimetals are realized either by direct deposition of piezoelectric composites or piezoelectric thin films onto bimetals. In the case of the dual energy harvester, piezoelectric cantilever beams were designed and simulated to vibrate at low frequencies (between 50Hz and 125Hz)

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Kalaagi, Mohammed. "Métasurfaces pour la récupération d'énergie électromagnétique et le transfert d'énergie sans fil dans l'environnement ferroviaire." Electronic Thesis or Diss., Université de Lille (2018-2021), 2021. http://www.theses.fr/2021LILUI049.

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Abstract:

L'intérêt pour l'alimentation en énergie électrique des différents composants de l'infrastructure ferroviaire est devenu un sujet de recherche intéressant avec le gain de popularité des systèmes ferroviaires. Pour développer un système ferroviaire intelligent, fiable, et autonome, notamment avec l'essor de différentes technologies telles que les dispositifs de l'Internet des objets et les nœuds de capteurs sans fil , l'alimentation électrique est nécessaire pour que les dispositifs soient mis en œuvre de manière fiable et autonome. Les technologies de collecte d'énergie et de transfert d'énergie sans fil peuvent être un élément clé pour l'alimentation de ces dispositifs, afin de construire un système suffisant et pratique. Il a été démontré qu'un niveau élevé d'énergie électromagnétique existe jusqu'à la région des micro-ondes à fort potentielL'objectif de ce travail est de développer de nouveaux concepts basés sur les métasurfaces, afin d'améliorer le potentiel et la performance de la récolte d'énergie EM et des technologies WPT qui peuvent être compatibles avec l'application dans l'environnement ferroviaire. Le principal défi consiste à concevoir un dispositif efficace et compact, en particulier pour les basses fréquences MHz, où les systèmes rectenna être insuffisants.Nous proposons tout d'abord un nouveau concept pour améliorer l'efficacité des systèmes conventionnels EM ou des systèmes de rectenna commercialisés sur étagère. Ce concept est basé sur la focalisation des ondes EM ambiantes dans une zone où elles peuvent être captées par un système de rectenna. La conception d'une métasurface de focalisation basée sur le profil hyperboloïde de la loi de phase généralisée est proposée : l'énergie électromagnétique ambiante incidente dans le champ lointain est concentrée en un point appelé point focal à une distance donnée de la conception de la métasurface. La métasurface est simulée et des validations expérimentales en champ proche et en champ lointain sont proposées. Des mesures ont été effectuées dans la chambre anéchoïque pour valider le concept en utilisant un système de rectenna commercialisé et la conception de la métasurface de focalisation à 900 MHz. Les résultats ont montré que, lors de la mise en œuvre du système rectenna à côté de la métasurface de focalisation, la puissance reçue est améliorée d'un facteur 5. Des essais sur le terrain ont ensuite été réalisés : le système a été mis en œuvre dans l'environnement ferroviaire en présence d'une station de base GSM-R. Les résultats ont montré que, lorsque la métasurface est mise en œuvre à côté du dispositif à antenne rectangulaire, une puissance reçue de -20 dBm est obtenue, ce qui peut être suffisant pour réveiller des dispositifs à faible puissance d'entrée tels que des capteurs sans fil, que le dispositif à antenne rectangulaire seul a donné de mauvais résultats avec une puissance reçue d'environ -40 dBm.Une solution alternative pour l'alimentation électrique sans fil dans le système ferroviaire est le WPT. l'un des principaux défis pour ces technologies dans ce cas peut être la ligne de vue avec des problèmes de mobilité : un meilleur suivi et un angle de détection plus large du dispositif alimenté sont nécessaires. Dans ce cas, la conception de métasurfaces rétrodirectives multi-angles basée sur différents concepts tels que la mise en cascade de diverses conceptions de super-cellules métamatérielles et la modulation d'impédance de surface est proposée. Ces conceptions peuvent être mises en œuvre à côté du dispositif alimenté , afin d'améliorer la localisation et le suivi du dispositif alimenté au-delà des limites communes de la ligne de signal atteignant des angles d'incidence obliques extrêmes. D'autres solutions pour l'amélioration de l'efficacité et la miniaturisation des systèmes de récolte d'énergie EM basés sur des métasurfaces absorbantes sont proposées aux basses fréquences micro-ondes
The interest for electric energy power supply to different components in the railway infrastructure, has become an interesting research topic with the gain of popularity for railway systems. To develop a smart, reliable, safe and autonomous railway system, specially with the rise of different technologies such as Internet of things (IoT) devices and wireless sensor nodes (WSN), electric power supply is needed for such that devices are implemented in a reliable and autonomous manner. Energy harvesting and wireless power transfer (WPT) technologies can be a key element for power supply to such devices, to build a sufficient and convenient system. A high level of EM energy has been shown to exist up to the microwave region and which can have a high potential for EM energy harvesting.The aim of this work is to develop novel concepts based on metasurfaces, to enhance the potential and performance of EM energy harvesting and WPT technologies which can be compatible for the application in the railway environment. The main challenge is to design an efficient and compact device specially at low MHz frequencies where conventional rectenna systems can be insufficient.We first propose a novel concept to enhance the efficiency of EM conventional or off-the-shelf commercialized rectenna systems. It is based on the focusing of the ambient EM waves in an area where it can be harvested by a rectenna system. The design of focusing metasurface based on the hyperboloidal profile of the generalized phase law is proposed: the incident ambient EM energy in the far-field, is concentrated at a point known as the focal point at a given distance from the metasurface design. The metasurface designed is simulated and experimental validations in both near field and far field are proposed. Measurements have been carried in the anechoic chamber to validate the concept using a commercialized rectenna system and the focusing metasurface design at 900 MHz. The results have shown that, when implementing the rectenna system along side the focusing metasurface, the received power is enhanced by a factor of 5. Field tests were then conducted: the system was then implemented in the railway environment in the presence of a GSM-R base station, where the results have shown that, when implementing the metasurface along side the rectenna device, -20 dBm of received power was achieved which can be sufficent to wake up low-input-power devices such as wireless sensors, whereas the rectenna device (commercial energy harvester) alone showed poor results of received power around -40 dBm.An alternative solution for wireless electric power supply in the railway system is WPT. However, one of the main challenges for such technologies in this case can be line of sight with mobilty issues: better tracking and wider detection angle of the fed device is required. In this case, the design of multi-angle retrodirective metasurfaces based on different concepts such as cascading of various metamaterial super-cell designs, and surface impedance modulation are proposed. These designs can be implemented along side the fed device (IoT or WSN), in order to enhance the localization and tracking of the fed device beyond the common line-of-signt limitations reaching extreme oblique incident angles. Other solutions for efficiency enhancement and miniaturization for EM energy harvesting systems based on absorbing metasurfaces are proposed at low microwave frequencies

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Hanani, Zouhair. "Conception de composite flexible céramique sans plomb/biopolymère pour des applications de stockage et de récupération d'énergie." Thesis, Bordeaux, 2020. http://www.theses.fr/2020BORD0288.

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Abstract:

Les dispositifs de stockage et de récupération d'énergie existants souffrent des performances modérées, de la faible flexibilité et de l'utilisation de composés toxiques. Ainsi, l'approche nanocomposite céramique/polymère est très prometteuse pour les applications de stockage et de récupération d'énergie à haut rendement, en raison de la constante diélectrique élevée de la céramique et de la résistance à la rupture élevée, de la flexibilité et de la facilité de traitement du polymère. Cette thèse est articulée autour de la conception de nanocomposites céramique (BCZT)/polymère (PLA) pour répondre à ces exigences. Tout d'abord, des synthèses contrôlées de céramiques BCZT avec différentes tailles de particules, distributions de tailles et formes ont été réalisées et discutées. Les effets de la taille des particules et de la forme des grains des céramiques BCZT sur les propriétés diélectriques ont été étudiés. Il a été constaté que la céramique BCZT avec des particules presque sphériques élaborée par le procédé hydrothermal à basse température à 160 °C a révélé des propriétés diélectriques et ferroélectriques améliorées par rapport aux autres céramiques BCZT préparées par d’autres méthodes. Ensuite, des particules quasi sphériques BCZT, des nanorods BCZT et des nanofils HZTO ont été incorporés dans la matrice polymère PLA biodégradable. Les effets de la forme, de l’arrangement, de la constante diélectrique et du facteur de forme de la céramique sur la constante diélectrique du nanocomposite ont été étudiés en utilisant la constante diélectrique effective des modèles de nanocomposite. A l’issu de cette étude, il a été constaté que pour améliorer les propriétés diélectriques du composite, il n'est pas nécessaire d'utiliser des charges céramiques à haute permittivité mais plutôt, contrôler leurs géométries au sien du composite. Par la suite, les performances de stockage d'énergie des nanocomposites à base de PLA ont été évaluées par des boucles d'hystérésis D−E. Ainsi, une forte capacité de stockage énergie a été obtenue dans les nanocomposites à base de charges en forme de bâtonnets. L'aspect récupération d'énergie a été étudié en concevant un nanogénérateur piézoélectrique bio-flexible (BF-PNG) à base d’un film nanocomposite BCZT/PLA pour convertir l'énergie mécanique ambiante en énergie électrique. Ce BF-PNG pourrait générer une tension en circuit ouvert et un courant de court-circuit de 14,4 V et 0,55 µA respectivement, et une grande densité de puissance de 7,54 mW/cm3 à une faible charge résistive de 3,5 MΩ, sous un léger tapotement du doigt. La faisabilité du BF-PNG a été testée en pilotant l'électronique commerciale (charge de condensateurs et allumage d'une LED). En conséquence, ce travail démontre que la céramique écologique sans plomb BCZT en combinaison avec le biopolymère PLA peut conduire à des nanocomposites flexibles avec des performances améliorées de stockage et de récupération d'énergie pour des applications dans des dispositifs auto-alimentés
The existing energy storage and harvesting devices suffer from the moderate performances, low flexibility and the use of toxic compounds. This is how ceramic/polymer nanocomposite approach is highly promising for high-efficiency energy storage and harvesting applications, due to the high dielectric constant of the ceramic and the high breakdown strength, the flexibility and the ease of processing of the polymer. This thesis focuses on designing ceramic (BCZT)/polymer (PLA) nanocomposites for these applications. First, controlled syntheses of BCZT ceramics with different particle sizes, size distributions and shapes were performed and discussed. The effects of grain size and grain shape of BCZT ceramics on the dielectric properties were studied. It was found that the BCZT ceramic with near-spherical particles elaborated by low-temperature hydrothermal processing at 160 °C revealed enhanced dielectric and ferroelectric properties compared to the BCZT ceramics synthesized by other methods. Second, BCZT near-spherical particles BCZT nanorods and HZTO nanowires were embedded in the biodegradable PLA polymer matrix. The effects of the ceramic shape, arrangement, dielectric constant and aspect ratio on the dielectric constant of the nanocomposite were explored using the effective dielectric constant of the nanocomposite models. It was found that for improving the dielectric properties of the composite, it is important to control the ceramic fillers geometry rather the use of high-k ceramics. Afterwards, the energy storage properties of PLA-based nanocomposites were evaluated by D−E hysteresis loops, and high-energy storage performances were obtained in the nanocomposites based on rod-like fillers. The energy harvesting aspect was investigated by designing a bio-flexible piezoelectric nanogenerator (BF-PNG) based on BCZT/PLA nanocomposite film to convert the ambient mechanical energy to electrical energy. This BF-PNG could generate open-circuit voltage and short-circuit current of 14.4 V and 0.55 µA, respectively, and large power density of 7.54 mW/cm3 at a low resistive load of 3.5 MΩ, under gentle finger tapping. The feasibility of the BF-PNG was tested by driving commercial electronics (charging capacitors and lighting an LED). Accordingly, this work demonstrates that BCZT lead-free ceramic in combination with PLA biopolymer can lead to flexible nanocomposite with enhanced energy storage and energy harvesting performances for application in self-powered devices

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Dissertations / Theses on the topic 'Linac à récupération d’énergie'

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