Version du 25 février 2014 à 23:53

Le but de ce projet est de concevoir un module de récupération d'énergie vibratoire.

Contexte

La récupération d’énergie vise à réaliser des micro-générateurs électriques de taille centimétrique permettant d’alimenter des systèmes électroniques en absorbant l’énergie « ambiante » présente dans le milieu environnant. Une application prometteuse est l’alimentation de capteurs autonomes communicants. A l’heure actuelle, ces capteurs sont alimentés par des piles qui imposent une maintenance régulière et posent des questions environnementales (recyclage notamment). S’il est possible de substituer ces piles par des micro-générateurs, alors l’utilisation de ce type de capteur se généralisera, et permettrait de développer des systèmes mécatroniques plus performants.

Le cahier des charges de mon projet est de réaliser un module de récupération d’énergie vibratoire. Pour réaliser cela, j’ai d’abord lu divers documents au sujet de la récupération d’énergie vibratoire pour choisir la solution optimale. Je vous présente donc tout d’abord un résumé global de mes recherches qui sont surtout théoriques.

Ressources mécaniques possibles

Mouvement humains :

- volontaires : pédaler, tourner une manivelle...

- naturels : les efforts sous les pieds, articulations...

Vibrations mécaniques :

dans l’environnement (machines, appareils électroménagers…), caractérisées en fréquence et en accélération

Vibrations acoustique :

Seuil d’audition : 1pW/m2

Bruit de 100 dB : 10 mW/m2

Les différentes méthodes de récupération d’énergie

Voici un tableau représentant les avantages et inconvénients des trois méthodes présentées:

Après réflexion, l'utilisation d'éléments piézoélectrique semble la plus adaptée. En effet cette méthode permettrait d'obtenir une tension plus ou moins correctes pour pouvoir alimenter des capteurs. Bien que les éléments pzt soient fragiles, ils sont plus simples à intégrer dans les microsystèmes électromécaniques (MEMS).

Il existe différents éléments piézoélectriques. Voici ceux qui me semblent les plus appropriés pour mon projet:

--> dépôt céramique piézoélectrique sur un support métallique. Il est peu chère. On excite le dépôt et le support pour que ça puisse vibrer à la fréquence de la tension.

--> MFC (Macro Fibres Composites): lorsqu'il se déforme à une fréquence précise, on récupère l'énergie sur la polarité.

--> pastille céramique massique piézoélectrique: avec une forte densité densité de matière pzt, cet élément libère de l'énergie par compression.

--> patch pzt piézocéramique : même principe que le MFC mais propriétés différentes

Parmi tous ces éléments pzt, la pastille massique pzt me semble plus intéressante car elle a une forte densité de matière pzt ce qui signifie qu'elle permet de libérer plus d'énergie. Le pzt piezocéramique possède également des caractéristiques intéressantes.

Choix du matériau et travail réalisé pendant l'attente de réception du matériau

Choix du matériau

Suite à l’étude réalisée, j’ai voulu commander un pzt piézocéramique car ses performances et ses caractéristiques sont optimisées. Toutefois ce matériau était vendu uniquement par pack ou à l’étranger (USA, Chine). J’ai finalement commandé un matériau de type MFC. Ces caractéristiques et ses performances sont également intéressantes.

Le MFC est basé sur le principe des actionneurs à fibres actives et comporte trois constituants principaux : l'époxy, les fibres piézoélectriques et des électrodes. L’avantage est qu’il est souple, durable et fiable. De plus, il peut travailler à la fois sur le mode d33 et d31. La tension générée maximum peut atteindre 1500 Volts.

J'ai passé la commande fin décembre auprès de la compagnie Smart Material en Allemagne. J'ai reçu la commande fin janvier.

Travail réalisé pendant l'attente de réception du matériau

Etant donné la complexité et l’étendu de mon sujet, j’ai passé beaucoup de temps sur la partie théorique. Je suis conscient qu’il y a des contraintes de temps mais il semblait nécessaire de s’attarder sur la compréhension du sujet et les différentes pistes de recherches. Il n'était pas simple également de trouver des compagnies qui vendent des éléments piézoélectriques à l'unité.

J'ai donc effectuer des recherches (cf rapport)et quelques expériences pendant la réception du MFC.

Génération d'énergie sur le principe de la méthode électromagnétique

Cette première expérience permet de générer de l’énergie sur le principe de la méthode électromagnétique.

Un haut parleur utilise ce principe là. En effet un haut parleur contient un aimant en mouvement enroulé d’une bobine. Ainsi, n’ayant pas de système vibrant j’ai superposé 2 hauts parleurs. Afin d’alimenter le haut parleur et de mettre en mouvement la bobine de ce haut parleur, je l’ai alimenté par une tension alternative de tension 12 Volts crête à crête. Ce haut parleur en mouvement génère le déplacement de l’aimant du second haut parleur. J’ai donc utilisé un voltmètre pour mesurer la tension généré.

résultat obtenu:

Le courant était toutefois trop faible

Analyse de la tension via un arduino

Par ailleurs, J’ai acheté deux transducteurs céramiques pzt. J’ai analysé en fonction de la pression que l’on imposait, que l’on pouvait obtenir une tension d’environ 2 volts. Toutefois ce transducteur céramique est adapté pour une fréquence de résonance de 4kHz. J’ai également analysé via un arduino connecté au pc les variations de la tension généré en fonction de la pression que l’on exerce sur le transducteur pzt. En attendant la réception du MFC j’ai principalement étudier les circuit de récupération d'énergie possible mais j'ai également travaillé le début du mois de janvier sur le développement d’un programme arduino permettant de récupérer la valeur de la tension généré par l’élément piezoélectrique.

Présentation du MFC et du dispositif vibratoire

J’ai reçu le MFC fin janvier. J’ai choisi un MFC de type P2 pour minimiser les pertes d’énergie et obtenir un meilleur rendement. (cf explication de ce choix dans le rapport)

Les dimensions du MFC sont 18mm*14mm.

Il n’est pas vraiment possible de produire de l’énergie que par la vibration du MFC. Il faut positionner le MFC à l’écart de l’axe neutre pour induire la moins de déformation due aux vibrations. J’ai donc attaché le MFC à un substrat (ex : fibre de verres) de telle sorte que le MFC soit tendu et qu’une pression soit exercée lorsque la fibre de verre se déforme. Pour ‘attacher le MFC’ à la fibre de verre, j’ai utilisé une colle Epoxy. Pour avoir un rendement optimal, il a fallu réaliser le collage à 60 °C pendant 2h.

L’IRCICA dispose d’un pot vibrant électromagnétique qui fonctionne dans la bande audio, quelques Hz à 20 kHz. Pour régler le pot vibrant, un signal électrique est envoyé, à l’aide d’un GBF et d’un amplificateur de puissance. Une masse de 5 grammes a été attachée sur la fibre de verre pour amplifier les vibrations. Il est important de rappeler que l’on peut modifier la valeur de la fréquence de résonance du MFC en modifiant la masse ou le dimensionnement de la fibre de verre.

Ayant à ma disposition le MFC, j'ai donc étudié plus précisément les circuits standards de récupération d’énergie en réalisant quelques expériences lors des créneaux disponibles (environ 12h).

Stockage d'énergie vibratoire

Approche standard AC

Le schéma de principe d'un dispositif de récupération d'énergie piézoélectrique avec une simple charge résistive est représenté sur la figure ci-dessous et l’image montre les formes d'onde de la tension aux bornes de la résistance (en jaune) et le déplacement x de la masse (en violet). Ce circuit peut être utilisé pour calculer la charge optimale R, la puissance maximale P ainsi que la fréquence de résonance. Il était nécessaire de réaliser tout d’abord ce circuit pour avoir également un ordre de grandeur des valeurs délivrées par le MFC.

Des mesures ont été réalisées pour plusieurs valeurs d’amplitude de vibration. Un amplificateur de puissance permettait de régler l’amplitude de vibration. Pour une amplitude faible de 80 mVpp (x<0,2mm), on atteignait une tension à vide de 7,5 Volts crête à crête alors que pour une amplitude de 400 mVpp (x>1mm) on obtenait une tension à vide d’environ 43 Volts crête à crête. Voici ci-dessous les résultats des valeurs des tensions crête à crête obtenus pour amplitude de 400 mVpp avec une résistance R variable :

On peut alors conclure que la fréquence de résonance vaut 23,4 Hz. On sait que P=(Ueff)2/R. On en déduit que la puissance maximale pour les vibrations étudiées est égale à 360 μW pour R=220 kOhms. Il existe donc une valeur d’une résistance pour laquelle la puissance récupérée est maximisée.

J'ai cherché à comprendre la raison pour laquelle il y a une puissance maximisée pour une valeur particulière de résistance.

Le courant reste vraiment faible de l'ordre de 70 μA. La faible valeur du courant est la contrainte principale du MFC.

Approche standard DC

L’énergie produite par les générateurs piézoélectriques n’est généralement pas utilisable directement pour l’alimentation de dispositifs électroniques classiques. On utilise en règle générale un module de récupération d’énergie dans lequel le générateur piézoélectrique est couplé à un pont de diode permettant de convertir la tension alternative en tension continu. Le pont de diode est suivi d’une batterie ou d’une capacité de filtrage.

Analyse expérimentale d’un circuit avec pont de diodes

J'ai étudié désormais uniquement à la fréquence de résonance f=23,4 Hz.

J’ai d’abord vérifié que le pont de diode redresse bien la tension en sortie. Le pont de diode a une tension de claquage de 200 Volts et le courant qui la traverse doit être inférieur à 1A. On obtenait bien une tension redressée.

Analyse expérimentale d'un circuit avec pont de diodes et résistance jouant le rôle d'une pile rechargeable

Si on se place dans les mêmes conditions et avec les valeurs optimales de la partie précédente (f=23,4Hz, R=220kOhms, amplitude de 400 mVpp) et que l’on ajoute le pont de diode suivi d’une résistance comme sur le schéma ci-dessous, on obtient une tension efficace Ueff=11,7 Volts.

Ainsi on a une puissance qui vaut P=622 μW

J’ai par la suite réalisé des mesures de tension pour une amplitude nettement plus élevée correspondant à 750 mVpp (déplacement x>3 mm). On atteint pour ces valeurs là une tension moyenne de 23,54 Volts en sortie du pont de diode à la fréquence de résonance. A vide, on atteint environ 70 Volts.

Voici la courbe ci-dessous de la puissance (en W) en fonction de la valeur de la résistance.

Dans cette étude, on constate que la puissance récupéré d’une tension redressée avec un pont de diode peut être de l’ordre 1,5m Watts. Le courant est de l’ordre de 100 μA.

Analyse expérimentale d'un circuit avec pont de diodes et capacité et résistance

J'ai ajouté désormais un condensateur pour stocker l’énergie à la place de la résistance. J’ai procédé en 2 étapes. J’ai visualisé la charge du condensateur sans la résistance dans le circuit. Voici ci-dessous la courbe représentant l’évolution de la tension aux bornes du condensateur pour une capacité de 1000 μF.

Ensuite j’ai déchargé le condensateur sur une résistance de 100 kOhms. On constate que la résistance consomme 90% de l’énergie emmagasinée par le condensateur en 2 min environ. La résistance joue en fait le rôle d’une pile qui se charge.

Simulation sur LTspice

Le schéma équivalent ci-dessous est la simulation sur le logiciel LTSpice du circuit testé précédemment.

On se place donc dans les mêmes conditions que précédemment (R=220 kOhms, C=1000 μF, pont de diode 200V-1A). On constate que la résistance se charge en 180 secondes environ pour atteindre une tension de 9,5 Volts. C’est plutôt cohérent avec les résultats expérimentaux obtenus.

Charge d'une batterie

J’ai décidé d’acheter une pile rechargeable Nickel-hydrure métallique, NimH (1300 mAh et 1,2 Volts) qui remplace la résistance sur le circuit précédent. La méthode de stockage de puissance est donc un circuit qui charge une pile NiMH. J’ai choisi ce type de pile car les piles NiMH ont une très grande densité de charge et ne nécessitent pas de régulateur de tension à incorporer dans le circuit. Le circuit est constitué d’un pont de diode, d’un condensateur qui vaut 1000 μF et de la batterie NiMH en parallèle comme sur l’image ci-dessous.

La simplicité de ce circuit permet une construction facile et compacte du circuit sans autres composants qui induiraient une dissipation de la puissance supplémentaire.

Je n’avais plus accès au laboratoire. J’ai donc réalisé une autre étude expérimentale → Marcher avec le MFC dans la chaussure. J’ai analysé après 10 min, puis 15 min et enfin 30 min l’évolution de la charge dans la batterie.

Pour déterminer l’évolution de la charge, j'ai retiré la batterie du circuit puis j'ai branché la batterie à une résistance de 15 Ohms. La charge était donc mesurée aux bornes de la résistance. Charge après 10 min : +0,005 Volts aux bornes de la résitance R. On passe de 1,190 à 1,195 Après 15 min, 1,20 Volts Après 30 min : 1, 203 Volts

Conclusion: Il est difficile de recharger une batterie avec un MFC, probablement car le courant est trop faible et que le rendement est optimale à la fréquence de résonance.

J'ai donc fait des études supplémentaires sur les méthodes d'optimisation de stockage énergétique.

Optimisation électrique