Energy harvesting by piezoelectric flags
Récupération d’énergie par drapeaux piézoélectriques
Résumé
The flutter instability of flexible plates, or flags, in an axial flow is a canonical fluid-structure instability that results in the flags’ large-amplitude spontaneous and self- sustained flapping. This phenomenon consequently appears as an interesting mechanism for flow energy harvesting, if the mechanical energy associated with this solid motion can be converted into electrical form. One route to exploit this mechanism is the concept of so-called piezoelectric flags: these flexible plates covered by piezoelectric materials which convert mechanical energy into electrical energy through the materials’ mechanical deformation. In this thesis, we propose to study both experimentally and numerically this concept of energy harvesting. Our results illustrate promising perspective of harvesting energy with piezoelectric flags. We first show that by using circuits possessing resonant properties, the energy harvesting becomes more efficient through a frequency lock-in phenomenon. Second, we studied the energy-harvesting performance of two flags placed in the same fluid flow and are coupled through the flow (hydrodynamic coupling) and through the output circuit (electrodynamic coupling).
L’instabilité de flottement de structures flexibles (ex : drapeaux) en écoulement axial constitue un exemple classique d’instabilité par interaction fluide-structure. Cette instabilité entraîne un flottement spontané et auto-entretenu de grande amplitude du drapeau. En ce sens, ce phénomène présente un intérêt pour la récupération d’énergie d’un écoulement, s’il est possible de convertir l’énergie associée au mouvement solide en électricité. Les drapeaux piézoélectriques représentent une piste pour exploiter ce phénomène : ces drapeaux sont recouverts de matériaux piézoélectriques, capables de convertir la déformation de la structure en transfert de charge et en énergie électrique. Dans cette thèse, nous proposons d’étudier ce concept de récupération d’énergie par des moyens expérimentaux et numériques, et en particulier l’impact du circuit récupérateur sur la dynamique du système fluide-solide-électrique. Nos résultats montrent que le drapeau piézoélectrique constitue un concept prometteur pour la récupération d’énergie. Dans un premier temps, on illustre une amélioration de l’efficacité par le phénomène de l’accrochage de fréquence. Dans un second temps, nous étudions la performance de récupération d’énergie de deux drapeaux placés dans un même écoulement et interagissent au travers de l’écoulement (interactions hydrodynamiques) et par leur connexion à un même circuit aval (interactions électrodynamiques).
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