Amélioration de notre prototype : Impact de la fréquence de fonc-

(4.4.11)

Sur la figure 4.4.9.b, la tension aux bornes de la capacité de stockage augmente de 0V

à 250V après 5s, ce qui équivaut à 5 cycles de fonctionnement de notre structure. Ainsi,

l’énergie récupérée et stockée dans la capacité est estimée autour 39,7µJ, soit une énergie

de 7,95µJ par cycle (correspondant à une puissance de sortie de 7,95µW pour un cycle

de 1Hz). La densité d’énergie spécifique de notre dispositif est d’environ 0,013mJ.g⁻1.

Les équation (4.3.3 et 4.4.11) permettent de calculer une puissance de sortie de 19,6µW

par cycle (1Hz). Par rapport à la puissance de 7,95µW obtenue à la sortie du redresseur.

Le rapport entre la puissance que l’on obtient réellement sur la capacité de stockage et la

puissance estimée théoriquement par l’équation 4.4.11 est de 42%.

Nous avons présenté une chaîne de conversion d’énergie complète pour notre DEG en

mode électret. Un redresseur à base de diodes est utilisé pour transférer l’énergie de

notre structure vers une capacité de stockage. Une puissance de 7,95µW a été obtenue

pour l’ensemble de la structure.

4.4.6 Amélioration de notre prototype : Impact de la fréquence de

fonctionnement, du potentiel de l’électret et du multi-couches

4.4.6.1 Impact de la fréquence de fonctionnement

L’augmentation de la fréquence de fonctionnement n’induira pas nécessairement une

aug-mentation de la densité d’énergie mais sûrement une amélioration de la puissance moyenne

de sortie. A titre d’exemple, le mouvement humain peut varier de 1Hz (la marche) à 2Hz

(la course) et la puissance récupérable expérimentale de notre prototype à ces fréquences

est représentée sur la figure 4.4.10.

Comme attendu, pour une charge électriqueR donnée, la puissance moyenne de sortie est

nettement supérieure à une fréquence plus élevée. Cette tendance est respectée strictement

sur une large gamme de charges électriques avec, toujours, un maximum de puissance de

sortie pour une charge de 99MΩ. Pour cette charge optimale, une puissance moyenne

de 46,6µW (2Hz) est atteinte. Cette valeur est équivalente à une densité d’énergie de

0,39mJ.g⁻1 par cycle. On peut noter que, bien que la densité d’énergie diminue à mesure

que la fréquence augmente, la puissance moyenne de sortie s’améliore lorsque la structure

fonctionne à des fréquences élevées.

FIG. 4.4.10: Puissance de sortie moyenne de notre prototype pour une fréquence de

fonction-nement de 1Hz et 2Hz.

La fréquence influence naturellement la puissance de sortie de notre structure en mode

électret. Plus la fréquence augmente, plus la puissance de sortie est importante. Pour

notre structure, une puissance moyenne de 46,6µW a été obtenue pour une fréquence

de 2Hz.

4.4.6.2 Impact du potentiel de l’électret

Une autre façon d’accroître la puissance de sortie de la structure est d’augmenter le

potentiel de surface de l’électret V_S. Pour étudier cette possibilité, nous avons choisi

d’utiliser notre modèle modifié avec un gap d’air résiduel non nul, avec des potentiels de

surface plus élevés. La puissance de sortie obtenue en fonction des potentiels de surface

VS est reportée sur la figure 4.4.11.

Nous voyons clairement l’intérêt des DEG en mode électret : plus le potentiel de l’électret

V_S est important, et plus le dispositif récupère de l’énergie quelle que soit la charge

électrique R (figure 4.4.11.a). La puissance de sortie peut être exprimée en fonction du

carré du potentiel de l’électret V_S comme démontré par [Boland 03] (figure 4.4.11.b).

Nous avons remarqué que la charge optimale R = 100MΩ est toujours valide pour tous

les potentiels étudiés. Une puissance de sortie de 150µW (équivalent à 4,16mJ.g⁻¹) est

envisageable avec un potentiel d’électret V_S de −2000V.

Le potentiel de l’électretV_S influence fortement la puissance de sortie du de la structure

en mode électret. La dépendance est classiquement une fonction de la tension au carrée.

Si le potentiel de l’électret V_S est de −1000V, la densité d’énergie récupérable est de

4.4 Prototype

FIG. 4.4.11: Puissance de sortie moyenne de notre prototype pour différents potentiels d’électret

V_S : −1000V, −1500V et −2000V : Puissance de sortie en fonction de charge R

pour différentes potentiels d’électret (a) et puissance de sortie en fonction du carré

du potentiel d’électret (b).

4.4.6.3 Impact du multi-couches

Nous avons déterminé l’influence de la fréquence de fonctionnement et du potentiel de

l’électret sur les performances de notre prototype avec une seule couche « élastomère

diélectrique + électrode ». Si le nombre de couches N augmente, nous espérons obtenir

une puissance de sortie plus élevée. La capacité équivalente de la structure est N fois

plus grande que celle de la structure mono couche (configuration stack). La figure 4.4.12

présente la puissance de sortie et la densité d’énergie récupérable pour une structure

multi-couche.

FIG. 4.4.12: Puissance de sortie moyenne (a) et densité d’énergie récupérable (b) pour

une structure possédant plusieurs couches de l’élastomère diélectrique.

Comme illustré sur la figure 4.4.12, l’augmentation du nombre de couches de l’élastomère

diélectrique augmente nettement la puissance de sortie et la densité d’énergie récupérable

w_rec sous charge optimale.

On note que la charge résistive optimale pour le multi-couche chute vers des valeurs

d’autant plus faibles que le nombre de couches augmente. Pour des charges résistives

importantes, la puissance de sortie tend vers une valeur qui est indépendante du nombre

de couches diélectriques (dès lors queN est différent de 1). Du point de vue de la densité

d’énergie récupérable, la structure avec 2 couches possède la densité d’énergie la plus

importante à charge électrique élevée : à charge électriqueR = 300MΩ, la structure deux

couches possède une densité d’énergie de 0,7mJ.g⁻1 tandis que cette densité d’énergie

vaut 0,5mJ.g⁻1 et 0,4mJ.g⁻1 pour la structure à trois et quatre couches respectivement.

Plus on augmente le nombre de couches d’élastomère diélectrique, plus la puissance

et l’énergie récupérables sont élevées sous charge optimale. Pourtant si la charge est

très grande, il n’existe pas de grande différence entre la structure à 2, 3 ou 4 couches

diélectriques. Il nous semble que la structure à 2 couches est une solution optimale.

4.5 Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons proposé une solution innovante pour remplacer la source de

polarisation nécessaire aux DEGs pour réaliser leurs cycles énergétiques. La solution est

de combiner l’élastomère diélectrique avec un matériau réservoir de charges électriques

communément appelé « électret ». Comme les aimants permanents sont utilisés pour les

générateurs électromagnétiques, les électrets sont potentiellement utilisables pour les

gé-nérateurs électrostatiques.

Nous avons proposé différents couplages entre ces deux matériaux (l’élastomère

diélec-trique et l’électret) tels que le mode diélecdiélec-trique et le mode électret. Le mode diélecdiélec-trique

fonctionne sur le principe de polarisation du matériau diélectrique par le champ

élec-trique développé par l’électret. A l’opposé, le mode électret fonctionne sur le principe du

réarrangement des charges quand la capacité de la structure change. Tous ces modes de

couplage permettent de faire évoluer les DEGs, qui nécessitaient une source de

polarisa-tion externe, vers des générateurs hybrides souples et autonomes. On comprend aisément

l’intérêt de ce nouveau type de dispositifs pour le développement d’applications et nos

résultats de simulation prometteurs en terme de performance pour ces nouveaux DEGs

nous ont amené à réaliser un prototype .

Ce prototype a consisté en un générateur hybride en mode électret afin de valider notre

étude théorique des couplages entre ces deux matériaux. Nous avons montré que, pour

4.5 Conclusion

charge optimale de 20MΩ et expérimentalement de 33µW sur sur une charge de 99MΩ.

La densité d’énergie produite mesurée est de 0,55mJ.g⁻¹ et peut atteindre 1,42mJ.g⁻¹

correspondant au cas idéal. Nous notons également que la fréquence de fonctionnement,

le potentiel de l’électret et le nombre de couche influence profondément les performances

globales de la structure.

Bien que l’énergie récupérable avec ces solutions hybrides soit plus petite que celle obtenue

avec des générateurs classiques à base de polymère diélectrique (qui utilisent une source

de polarisation externe), ce couplage est très prometteur pour développer des générateurs

souples, autonomes, légers et modulables. Ces générateurs hybrides ouvrent ainsi une

nouvelle voie pour les applications portables.

Points clés

Positionnement

o État de l’art des structures de gestion d’énergie : problème de la nécessité d’une

source de polarisation haute tension.

o Nécessité de structures intégrables et/ou portables.

Contributions

o Étude de la stabilité du polymère téflon utilisé comme électret.

o Proposition de structures innovantes s’affranchissant d’un générateur externe haute

tension.

o Étude, modélisation et comparaison de divers modes de couplage entre un

élasto-mère diélectrique et un électret. Démonstration de la faisabilité d’un tel dispositif.

Conclusion et perspectives

Rappel des objectifs

Cette thèse a cherché à répondre à trois problématiques principales :

1. La caractérisation fine du comportement mécanique et diélectrique d’élastomères

diélec-triques dans une utilisation « générateur souple (DEG : Dielectric Elastomer Generator) »

et la mise en place de modèles fiables afin d’évaluer les performances de ces DEGs en terme

de puissance et densité d’énergie récupérables.

2. Suggérer des pistes pour choisir/concevoir/développer de nouveaux matériaux suivant

les types d’applications envisagés pour les DEGs.

3. Proposer des solutions pertinentes dans le but de remplacer les sources de polarisation

des DEGs, notamment pour les applications portables.

Bilan des travaux effectués

Dans cette thèse, nous avons présenté les différentes classes de polymères électroactifs. Un

intérêt particulier s’est porté sur les élastomères diélectriques. En effet, un état de l’art

complet a souligné l’engouement actuel pour les générateurs à base d’élastomères

diélec-triques fonctionnant aux fréquences ambiantes (f < 100Hz). Du fait de leur souplesse, de

leur légèreté, de leur faible coût et de leur facilité à se modeler, ils apparaissent comme

un bon choix pour le développement de générateurs quasi-statiques récupérant l’énergie

mécanique de déformation pour la transformer en électricité. Les nombreuses applications

à développer ou en développement concernent par exemple des générateurs souples

in-corporés sur le corps humain ou les vêtements ou bien encore des systèmes d’envergure

immergés dans l’océan pour la réalisation de fermes marines électriques.

Nous avons présenté le principe de fonctionnement des DEGs mais aussi les modèles

thermodynamiques indispensables pour une évaluation des performances de ces

généra-teurs. Nous avons caractérisé en profondeur le comportement mécanique et diélectrique

du polyacrylate VHB et du silicone Polypower sur une large gamme de fréquence, de

température et pour différents types (biaxial, pure-shear) et niveaux (seuils d’étirement)

de déformation. Ces matériaux sont des élastomères qui développent un comportement

Dans le document Contribution à la conception de générateurs électroactifs souples (Page 194-200)