Conversion piézoélectrique

[NAI 17], pour sa part, a effectué une revue des systèmes de récupération électromagnétique en fonction de leurs fréquences de résonance et de leurs puissances délivrées. Cette synthèse regroupe une grande partie des récupérateurs électromagnétiques dont le rendement est meilleur à basse fréquence. La Figure 1.8 illustre ce propos. Les puissances récupérées sont de l’ordre du milliwatt pour des récupérateurs résonant à des fréquences comprises entre 0 et 11Hz, tandis qu’à plus haute fréquence de résonance, la puissance récupérée diminue.

Figure 1.8 Performances des récupérateurs d’énergies électromagnétiques en fonction de leur fréquence de résonance

De cet état de l’art sur les techniques de récupération d’énergie, il apparait clairement que les macro-systèmes sont plus prometteurs en termes de récupération d’énergie. En fait, les grands déplacements sont à privilégier avec cette technique, et ces macro-systèmes sont faciles à mettre en œuvre et moins encombrants que leurs homologues les microsystèmes. Travailler à basse fréquence est une piste prometteuse en termes de rendement mais impose de travailler avec des microsystèmes à cause de la limite de la taille des aimants.

1.3.2. Conversion piézoélectrique

Cette technique repose sur l’effet piézoélectrique direct [BOW 16] (Figure 1.9). Le matériau piézoélectrique a en effet la capacité de se polariser électriquement sous l’effet de contraintes ou de déformations mécaniques et s’il est associé à un circuit de charge, l’énergie est alors récupérée et convertie afin d’alimenter une charge électrique. La technique de récupération

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d’énergie la plus utilisée est celle des poutres résonantes comme représentée à la Figure 1.9 mais ce n’est pas la seule technique employée (Annexe 5) et les niveaux d’énergie obtenus sont dans ce cas de l’ordre du microwatt. [RAI 15] propose d’analyser des systèmes MEMS capables de convertir les faibles mouvements. Il apparaît clairement que les récupérateurs piézoélectriques sont inappropriés pour des déplacements mécaniques de l’ordre du centimètre, comme dans le cas du débattement d’un amortisseur, car une contrainte mécanique trop importante et répétée peut les dépolariser et les briser.

Figure 1.9 Schéma de principe de la récupération piézoélectrique

Un ensemble de quatre grands critères peut être utilisé pour différencier les récupérateurs piézoélectriques :ceux-ci portent soit sur le choix du matériau, soit sur le nombre de couches, soit sur l’ajout ou non d’éléments annexes à la poutre, ou bien sur le nombre de poutres. Concernant le premier critère, le matériau utilisé peut être soit rigide comme les piézoélectriques en Titano-Zirconate de Plomb (PZT) ou bien souples si l’on choisit le Polyfluorure de Vinylidène (PVDF). Toute fois ce critère est à pondérer en fonction de l’épaisseur du dispositif. Le matériau agit essentiellement sur les performances et l’amplitude admise du déplacement. Toutefois, chaque matériau en raison de sa composition chimique a des limites et des conditions de fonctionnement différentes en ce qui concerne la température admissible, la tension et les contraintes maximales.

Matériaux ^Puissances _{récupérées récupérées} ^Tensions fréquence ^Basse propre

Mise en

œuvre ^Impédance mécanique PZT

[MAK 11, JEM 16, WIC 12, CHA 08, LUM 16, FRA 17, TOY 17, LUO 17, DEM 10, REN 09, PLA 05, REZ 17]

PVDF

[LI 16, MAN 10b, LI 11, BIS 13, SHU 10]

Tableau 4. Avantages et Inconvénients des récupérateurs piézoélectriques en fonction du type de matériaux

21 Le Tableau 4 aide à faire ressortir les avantages et les inconvénients de chacun de ces types de matériau. De celui-ci, nous pouvons en conclure que les matériaux PVDF sont prometteurs pour un usage aux basses fréquences, cependant les matériaux PZT sont plus faciles à mettre en œuvre.

Le second critère est lié au nombre de couche du récupérateur puisque l’on a des dispositifs soit uni-couche ou bien multicouches. L’avantage de pouvoir travailler avec plusieurs couches piézoélectriques est que l’on peut alors optimiser la récupération d’énergie lors des mouvements de flexion de la poutre. Néanmoins, leurs constructions sont plus élaborées rendant leur mise en œuvre plus complexe (voir Tableau 5).

Couches piézoélectriques ^Puissances _{récupérées récupérées} ^Tensions fréquence ^Basse propre

Mise en œuvre Uni-couche

[JEM 16, CHA 08, LI 16, LUM 16, TOY 17, LUO 17, MAN 10b, SHU 10, REZ 10]

Multicouches

[MAK 11, WIC 12, FRA 17, BIS 13, DEM 10, REN 09, PLA 05, REZ 17]

Tableau 5. Avantages et Inconvénients des récupérateurs piézoélectriques en fonction du nombre de couches actives

On différencie également le récupérateur selon la présence ou non de masse en bout de poutre ou d’éléments additionnels. Leur rôle est à la fois d’accroître l’énergie cinétique de la poutre, mais peut également contribuer à modifier la fréquence de résonance. L’avantage de travailler avec ces éléments additionnels est de récupérer plus de puissance avec cependant un impact négatif sur leur mise œuvre (voir Tableau 6).

Configuration ^Puissances _{récupérées récupérées} ^Tensions fréquence ^Basse propre

Mise en œuvre Poutre simple

[JEM 16, BIS 13, SHU 10, DEM 10, PLA 05]

Avec une masse en bout de poutre [LI 16, LUM 16, FRA 17, TOY 17,

REN 09]

Avec des éléments additionnels périphériques

[MAK 11, WIC 12, CHA 08, LUO 17, MAN 10b, REZ 17]

Tableau 6. Avantages et Inconvénients des récupérateurs piézoélectriques en fonction des éléments utilisés

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Un autre critère consiste à regarder le nombre de poutres employées, puisque ce dernier est déterminant sur l’évolution des bandes passantes. Le Tableau 7 illustre clairement qu’il est plus avantageux d’utiliser des systèmes multi-poutres bien qu’ils soient plus encombrants et que leur intégration soit plus complexe.

Configuration ^Puissances _{récupérées récupérées} ^Tensions fréquence ^Basse propre Largeur de bande passante Mise en œuvre Une poutre Multi-poutre [WIC 12, BIS 13, REN 09, PLA

05, DEM 10]

Tableau 7. Avantages et Inconvénients des récupérateurs piézoélectriques en fonction du nombre de poutres

De cet état de l’art, il découle que la fréquence de résonance de ce type de récupérateur se situe généralement autour des hautes fréquences, c’est-à-dire de l’ordre du kHz. Cependant, un grand nombre d’applications comme le secteur médical [HWA 14] exprime le besoin de

récupérer de l’énergie à de très faibles fréquences, pour se rapprocher de la fréquence des mouvements humains comme celle de la marche autour de ~1Hz [PLA 05a] et de la fréquence de résonance des machines qui quant à elles, se situent dans un intervalle variant de 1Hz à 100Hz. C’est donc ce qui nous amène à comparer les performances des récupérateurs piézoélectriques en fonction de leur première fréquence de résonance.

Toutes les configurations présentées à la Figure 1.10 ont pour particularité d’avoir une bande passante qui se situe dans les basses fréquences. Les puissances obtenues vont du microwatt jusqu’au watt. Nous pouvons noter que ce type de récupérateur est tout à fait adapté pour travailler à basse fréquence. En outre, les systèmes classiques en PZT avec une masse en bout de poutre permettent l’obtention d’un niveau de puissance suffisant pour notre application de l’ordre du milliwatt. La surface des points indique la bande passante du récupérateur d’énergie sélectionné avec une plus grande largeur de bande pour [TOY 17, LUO 17,

23 Figure 1.10 Performances des récupérateurs d’énergie piézoélectrique en fonction de leurs

premières fréquences de résonance