Systèmes hybrides

4.3.6 Transfert unidirectionnel des charges

Pour pouvoir déjà vérifier le concept des systèmes hybrides on a utilise un élément piézoélectrique de type anneau (P189, d33 = 315 pC/N , C0 = 170 pF,

ø

ø

C_p C

b C

b

R

Figure 137 : Circuit hybride (configuration parallèle) 0 0,5 1 1,5 2 2,5 20 70 120 170 Pu issanc e ( µ W) Tension de sortie (V) Système hybride Système piézoélectrique

Figure 138 : Puissance moyenne obtenue avec l’élément piézoélectrique seul et avec le circuit hybride (100 N)

film en Latex (3 cm x 10 cm x 20 µm) avec des électrodes en graisse conductrice. L’actionnement et la mesure de la force a été faite avec le même système utilisé pour la caractérisation des céramiques. Tout d’abord l’élément piézoélectrique seul a été utilisé pour pouvoir ensuite comparer les quantités d’énergie. Pour cela une force sinusoïdale de 1 Hz (0 N ↔ 100 N) a été appliquée tel que la tension en circuit ouvert aux bornes de l’anneau variait entre 0 V et 190 V. Pour une sortie redressée il a été mesuré une puissance maximale d’environ 1.25 µW (tension de sortie de 38 V, pont redresseur à double alternance). La puissance maximale théorique pour une telle configuration est en principe égale à 1.49 µW mais la différence est due le plus probablement aux courants de fuite dans les diodes (1N4148) utilisées pour le redressement. Ensuite, pour le circuit hybride un condensateur de stockage intermédiaire avec des diodes + le polymère ont été rajoutés. Le film polymère a été ensuite déformé à une fréquence de 1 Hz tel que la capacité maximale était deux fois plus importante que celle à l’état relaxé (Cmin = 1.86 nF, déflection axiale ≈ 3 cm, Cmax ≈ 2∙Cmin). Pour trouver la puissance optimale, comme dans le cas précédent, différentes résistances ont été utilisées en sortie. La variation de la puissance extraite dans les deux cas est illustrée dans la Figure 138. Comme on peut voir le circuit hybride fournit autour de 1.96 µW pour une tension de sortir de 82 V. D’après les formules obtenues dans la partie théorique la puissance maximale devrait être égale à 2.52 µW. Mais encore une fois il semble que cette différence pourrait être due aux pertes dans les diodes. La même expérience a été répétée en utilisant une force de 150 N en amplitude (1 Hz). La variation de la puissance est représentée dans la Figure 139.

Théoriquement l’énergie récupérée avec l’élément piézoélectrique devrait être proportionnelle au carré de l’amplitude de la force appliquée. Cette fois l’élément piézoélectrique fournit autour de 2.92 µW et on peut faire un simple calcul pour vérifier :

(69) ^{2.92 µW}_{1.25 µW}= 2.34 ≈ 2.25 = (^{150 N}

100 N)²

Le système hybride fournit cette foi autour de 5.25 µW pour une tension de sortie de 137 V. Cela correspond à une augmentation de puissance de 1.8 fois en comparaison avec celle obtenue avec le système piézoélectrique seul. La valeur théorique est d’environ 5.67 µW.

Comme on peut le voir, la configuration hybride fonctionne comme prévu, à part l’influence des pertes dues aux diodes. En effet, le courant de fuite des diodes 1N4148 peut dépasser 12 nA. En

0 1 2 3 4 5 6 20 70 120 170 220 Pu issanc e (µ W) Tension de sortie (V) Système hybride Système piézoélctrique

Figure 139 : Puissance moyenne obtenue avec l’élément piézoélectrique seul et avec le circuit hybride (150 N)

effet, si nous examinons le premier cas (100N) la tension de sortie optimale pour l'élément piézo-électrique est de 40 V pour une puissance de 1,25 µW ce qui signifie un courant moyen extrait par la résistance de 31 nA. Comme nous pouvons le voir le courant perdu dans les diodes n’est pas négligeable du tout. Il faut donc utiliser des diodes spéciales avec des courants de fuite plus faibles, mais ce problème a été déjà analysé.

D'autre part comme la résistivité du polymère est très élevée (la résistance électrique maximale du film à l'état détendu est d'environ 1 TΩ), le courant maximal perdu dans le polymère à 40 V, était d'environ 40 pA. Les pertes dans le polymère étaient si faibles qu'il n'y avait pas une différence notable entre la puissance récupérée avec l'élément piézo-électrique seul et la puissance récupérée avec le système hybride, lorsque le polymère n’était pas soumis à aucune déformation; il agissait juste comme un condensateur stockant de l’énergie.

Autre remarque doit être faite concernant la puissance récupérée, 5 µW est une quantité très faible, certes, mais cela est dû à la force assez petite qui a été appliquée sur l'élément piézoélectrique. En effet la contrainte qui pourrait être appliquée à l'élément piézoélectrique pourrait être aussi grande que 40 MPa, dans notre cas, la contrainte maximale était inférieure à 2 MPa, comme l'énergie récupérée est proportionnelle au carré de la contrainte, cela signifierait une augmentation de x100.

4.3.7 Préservation des charges électriques

Pour cette configuration un petit élément piézoélectrique cylindrique (P188) a été utilisé (d33 = 516 pC / N, C0 = 20 pF, épaisseur = 5 mm, diamètre = 2,6 mm, masse = 0,2 g). Aussi, un film en silicone (avec des dimensions approximatives de 5,5 cm x 10 cm x 100 µm) avec électrodes en silicone conducteur, appliquées à la main sur chaque face, et avec une capacité électrique à 20 Hz, à l'état non déformé de 1,22 nF. Tout d’abord dix condensateurs en polyester, 22 nF chacun, ont été connectés en série et alimentés avec l'élément piézoélectrique à l'aide du circuit de redressement représenté dans la Figure 140. En raison de la haute tension de celui-ci, dix-neuf diodes 1N4148 ont été utilisées à la place d'une seule. La force (harmonique, 1 Hz) appliquée sur l'élément piézoélectrique présentait une amplitude de 125 N. L'évolution dans le temps de la tension aux bornes du condensateur est donnée dans la Figure 141. Dans la première partie du graphique le chargement du condensateur peut être observé, une tension maximale de 1700 V a été atteinte après environ 200 s (200 périodes). Puis l'excitation mécanique sur l'élément piézo-électrique a été arrêtée et le condensateur a été laissé se décharger à travers les diodes. A la fin le condensateur a été déconnecté du redresseur et laissé se décharger par l’intermédiaire de ses propres courants de fuite. La même chose a aussi été réalisée en utilisant cette fois-ci le polymère à la place des condensateurs (Figure 142).

Cpolymère

Premièrement, comme nous pouvons le voir à cause des pertes dans les diodes, la tension maximale est de seulement 1700 V par rapport à la valeur attendue de 2500 V. D'autre part, les pertes dues à la décharge du condensateur sont beaucoup plus faibles (la chute de tension due à la décharge dans le condensateur a été estimée à quelques pourcents après 6 minutes). Le courant de fuite dans le polymère est estimé à 0,85 nA à environ 1,2 kV, cela signifierait un courant de 1,2 nA à 1,7 kV. Si le pont redresseur serait parfait le même élément piézoélectrique pourrait alimenter un film 8 fois la surface de celui utilisé à 1,7 kV (équivalent à un champ électrique de 17 MV/m). Dans ce cas, le volume du polymère serait de 4.4 cm³ tandis que celle de l'élément piézo-électrique est de seulement de 0,027 cm³, il s’agit donc d’un rapport de plus de 160 à 1.

Les deux techniques sont adaptées pour des polymères qui présentent de faibles courants de fuite car dans les deux cas les charges électriques doivent être petit à petit accumulées sur le film. Dans ce sens le latex, l’acrylique (mais le problème de sa viscosité reste toujours présent) et le silicone semble être de très bons candidats. Le PU au contraire ne semble pas être acceptable car même utilisé avec une source de tension la performance obtenue n’est pas très bonne. Le terpolymère pourrait fonctionner car les pertes même si pas aussi faibles que celles des trois autres polymères restent beaucoup plus faibles que celles du PU, de plus sa permittivité électrique est beaucoup plus élevée (≈ 33) que la permittivité des autres polymères.

Figure 141 : Chargement d’un condensateur en utilisant un élément piézoélectrique Temps (s) Te n sio n (V) Élément piézoélectrique excité Élément piézoélectrique non-excité. Décharge dans les

diodes. Co n d en sat eu r is o lé

Figure 142 : Chargement d’un film de silicone avec élément piézoélectrique Temps (s) Te n sio n (V)

Figure 143 : Film en silicone et élément piézoélectrique utilisé pour son chargement

4.4 Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons étudié la possibilité d'utiliser des systèmes de récupération d'énergie simples et hybrides combinant des polymères diélectriques et des éléments piézoélectriques. Pour les systèmes hybrides deux configurations simples ont été étudiées : une dans laquelle la charge électrique est transférée dans un seul sens, de l'élément piézoélectrique vers le polymère et ensuite au circuit alimenté et une autre dans laquelle la charge électrique est systématiquement retournée par le circuit alimenté au polymère. La première configuration semble être adaptée à des situations où l'élément piézoélectrique fournit déjà une quantité importante d'énergie. Le polymère pourrait être utilisé dans une telle configuration, afin de multiplier l’énergie fournie par celui-ci, l'augmentation étant proportionnelle en première approximation à la variation de la capacité, à condition qu'elle soit beaucoup plus grande que celle de l'élément piézo-électrique. Cependant l'énergie de sortie est limitée par l'énergie fournie par l'élément piézoélectrique. La seconde configuration d'autre part est beaucoup plus intéressante si la densité d'énergie qui peut être obtenue avec le polymère est supérieure à celle du matériau piézo-électrique (ce qui est normalement le cas à l'heure actuelle). Dans ce cas, la charge électrique est accumulée sur le polymère et en utilisant un condensateur supplémentaire et les phénomènes d'induction électrostatique la charge électrique peut être conservée ou au moins réutilisé pendant plusieurs cycles et en même de l’énergie peut être transférée à un circuit électrique. Dans les deux cas, l'inconvénient de l'utilisation d'un système hybride par rapport à une alimentation à haute tension c’est le temps qu'il faut pour que le polymère se charge à un niveau de tension élevé (ce qui peut nécessiter plusieurs centaines de cycles) et commencer à travailler dans un régime optimal. Un autre problème ce sont les circuits électriques de transfert d'énergie qui doivent être adaptés à des tensions très élevées et faibles courants.

En tout cas, nous montrons dans ce chapitre que des éléments piézoélectriques et des polymères diélectriques pourraient être utilisés ensemble ou séparés dans un système de récupération d'énergie. Les systèmes hybrides étant en mesure de faire un bon usage des deux : l'élément piézo-électrique fournissant l'énergie piézo-électrique initiale et celle nécessaire à compenser les pertes plus la tension élevée et le polymère sa haute densité d'énergie, son élasticité et sa simplicité d’intégration.