Electrostatic conversion for airflow energy harvesting
Micro-récupération d'énergie des écoulements d'air par conversion électrostatique
Résumé
This work is enshrined in the energy harvesting context. More specifically, the purpose is to convert small amounts of kinetic energy from airflows into electrical energy through an electrostatic converter. The electrical energy produced is then intended to supply low power sensors for structural health monitoring, environmental follow-up, human monitoring…
The manuscript includes an overview of the state of the art on airflow energy harvesting, the physical understanding of electrostatic conversion phenomena, fluid mechanics, ultra-low Reynolds number aerodynamics, a description of the prototypes developed and the results obtained.
The harvesters we have developed are divided into two families: (i) the rotational harvesters which transform the kinetic energy of airflows into mechanical energy of rotation and (ii) the aeroelastic harvesters which use wind energy to produce mechanical energy of periodical oscillations. These two types of harvesters have been associated to different electrostatic converters, polarized by the addition of electrets or self-polarized by triboelectricity. The energy harvesters have been optimized and we have demonstrated the benefit of the electrostatic conversion for small devices (a few cm2) operating at low speeds (<3m/s). The power densities reach 5µW/cm2@1m/s for rotational devices and in the range of 10µW/cm2@10m/s for aeroelastic devices. The micro-generators were finally combined with power management circuits to supply autonomous and communicating sensors. This last stage completes the energy harvesting chain and also shows the high benefit of active circuits (synchronous electric charge extraction, maximum power point).
Ce travail de thèse s’inscrit dans la grande problématique de la récupération d’énergie. Il s’agit plus précisément de convertir de petites quantités d’énergie cinétique présentes dans un écoulement d’air en énergie électrique par l’intermédiaire d’un convertisseur électrostatique. L’énergie électrique convertie est ensuite destinée à alimenter des capteurs autonomes communicants pour le monitoring de structures, le suivi environnemental, le monitoring de santé…
Le manuscrit comprend une étude des travaux antérieurs en récupération d’énergie des écoulements d’air, la compréhension physique des phénomènes de conversion électrostatique, de mécanique des fluides et d’aérodynamique à très faibles nombres de Reynolds, ainsi qu’une description des prototypes développés et des résultats expérimentaux obtenus.
Les récupérateurs que nous avons développés se divisent en deux grandes catégories : (i) les récupérateurs rotatifs qui transforment l’énergie cinétique de l’air en énergie mécanique de rotation et (ii) les récupérateurs aéroélastiques qui puisent l’énergie cinétique du vent pour produire de l’énergie mécanique par oscillations périodiques. Ces deux types de récupérateurs ont été associés à des convertisseurs électrostatiques dédiés, polarisés par l’ajout d’électrets ou auto-polarisés par triboélectricité. Les récupérateurs d'énergie ont été optimisés et nous avons notamment montré l'intérêt de la conversion électrostatique pour des dispositifs de petites dimensions (quelques cm²) fonctionnant à faible vitesse (<3m/s). Les densités surfaciques de puissance atteignent 5µW/cm2@1m/s pour les récupérateurs rotatifs et de l'ordre de 10µW/cm2@10m/s pour les récupérateurs aéroélastiques. Les micro-générateurs ont finalement été combinés à des circuits de gestion d'énergie pour alimenter des capteurs autonomes communicants, validant la chaine complète de récupération d'énergie, montrant par la même occasion l'intérêt des circuits de gestion d'énergie actifs de type SECE (synchronous electric charge extraction) ou MPP (maximum power point).
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