Contribution to the design of a microconverter of vibratory mechanical energy into electrical energy
CONTRIBUTION Á LA CONCEPTION D'UN MICRCONVERTISSEUR D'ÉNERGIE MÉCANIQUE VIBRATOIRE EN ÉNERGIE ÉLECTRIQUE
Résumé
The market expansion of the moveable electronic instruments and their consumption reduction in terms of energy, promote the idea to convert mechanical vibratory energy, existing in great quantity in our environment, into electrical energy. The goal of this research work is the design of a current microgenerator, based on the harvesting of mechanical vibratory energy. In order to obtain a high efficiency of the microsystem, the energy losses need to be minimized. In this approach, a study of the airflow effect on the dynamic behaviour of clamped cantilever beams made of quartz, silicon and lithium niobate is carried out via two experimental methods in dynamics (random excitation and release dynamic test) at various pressure levels surrounding the vibrating structure between the primary vacuum and the atmospheric pressure. It turns out that the energy dissipated by the effect of surrounding air is secondary compared to the energy dissipated by the microsliding phenomenon. The latter is modelled by finite element analysis using a regularized Coulomb law to simulate friction effects. Thought, the dynamic study on assembled structures (a lithium niobate plate and a silicon beam) by adhesive material (SU8 epoxy resin of 5 µm and 1 µm and compressed gold) is performed between the secondary vacuum and the atmospheric pressure with dynamic release method. All the performed experiments and modelling made possible to choose a preferred architecture of the microconverter and to determine the most favourable assembly for the energy harvesting application. The capability of shock excitation regime to transfer mechanical energy from low to high frequency vibrating modes is investigated both theoretically and experimentally. Finally, a theoretical model is developed in order to describe the microconverter system in order to estimate the power generated under given mechanical excitation pressure, amplitude and frequency.
Avec l'expansion du marché des appareils électroniques portables, des capteurs embarqués et la diminution conjointe de leur consommation d'énergie, l'idée de convertir l'énergie vibratoire, disponible en grande quantité dans notre environnement quotidien, en énergie électrique suscite un intérêt croissant. Le but de ce travail de recherche est de proposer des éléments d'aide à la conception d'une microgénératrice de courant efficace par récupération d'énergie vibratoire. Le principal objectif visé est la minimisation des pertes d'énergie quelle que soit leur nature. En premier lieu, une étude de l'effet de l'air libre sur la dynamique de poutres encastrées-libres en quartz, en silicium et en niobate de lithium est réalisée par deux méthodes expérimentales en dynamique (excitation aléatoire et lâcher dynamique). Différents niveaux de pression de l'air qui entoure la structure vibrante sont appliqués entre le vide primaire et la pression atmosphérique. On réalise que l'énergie dissipée par l'effet de l'air est secondaire par rapport à celle dissipée par le phénomène de microglissement au sein de l'encastrement. L'effet amortissant de ce microglissement est confirmé par un modèle d'éléments finis utilisant une loi de Coulomb régularisée. Une étude similaire (caractérisation expérimentale entre le vide secondaire et la pression atmosphérique) est alors réalisée sur des structures collées par trois procédés différents : avec une couche de SU8 de 5 µm, de 1 µm et avec de l'or compressé. L'ensemble de ces expériences a permis de fixer l'architecture du microconvertisseur et de déterminer l'assemblage le plus favorable à cette application. Le transfert d'énergie vibratoire à partir d'excitation par chocs est ensuite étudié en détail, par voie analytique et expérimentale. Enfin, une modélisation complète de la microgénératrice est proposée, permettant l'estimation de la puissance générée sous l'effet d'une contrainte mécanique de forme, d'amplitude et de fréquence données.