Récupération de l'énergie des vibrations d'une poutre piézoélectrique

15/01/2016
Publication 3EI 3EI 2016-83
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2016-83:14881
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Récupération de l'énergie des vibrations d'une poutre piézoélectrique

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Récupération de l’énergie des vibrations d’une poutre piézoélectrique La Revue 3EI n°83 Janvier 2016 Hors Thème 46 RÉCUPÉRATION DE L’ÉNERGIE DES VIBRATIONS D’UNE POUTRE PIÉZOÉLECTRIQUE VINCENT BOITIER 1 , ANTOINE BELINGER 2 vboitier@laas.fr, antoine.belinger@laplace.univ-tlse.fr 1 Université de Toulouse, UPS, LAAS, 7 Ave du colonel Roche, F-31400 Toulouse, France 2 Université de Toulouse, UPS, LAPLACE, 118 route de Narbonne, F-31062 Toulouse, France 1. Introduction Des dispositifs communicants basse consommation sont de plus en plus utilisés pour la domotique ou le suivi de santé des personnes [1], [2]. La récupération de l'énergie issue de vibrations ambiantes [3] est une alternative pour éviter l’utilisation des piles ou augmenter la durée de vie des systèmes. Nous présentons ici les possibilités offertes par un récupérateur piézoélectrique (membrane piézoélectrique fixée sur une poutre vibrante) pour alimenter un module de communication sans fil basse consommation. Ce module constitue la brique de base d’un réseau de capteurs sans fil. Le dispositif piézoélectrique est présenté dans une première partie avec son système d’excitation et de mesures. La deuxième partie montre les expérimentations nécessaires à la modélisation et explicite le modèle qui en découle. La récupération d’énergie est ensuite mise en œuvre dans la troisième partie avec une comparaison entre les résultats expérimentaux et ceux issus de simulations pour le dispositif le plus simple. La dernière partie analyse la quantité d’énergie nécessaire pour alimenter le module de communication et la compare avec l’énergie effectivement récupérée. Les convertisseurs à intercaler éventuellement entre le stockage et la charge sont aussi évoqués dans cette partie. 2. Dispositif expérimental Pour des raisons de coût et de disponibilité, le récupérateur est constitué d’une poutre vibrante (réglet métallique) sur laquelle une membrane piézoélectrique est collée (buzzer-piézo : Kingstate KPSG-100). Le réglet est fixé sur un bâti. Pratiquement, le bout de la poutre peut être excité de façon régulière (par le vent [4]), ou épisodiquement (le bout de la règle est déplacé manuellement). L’excitation peut aussi venir du mouvement du bâti (par exemple un vélo [5] ou un moteur [6]). Pour nos essais, le bâti est fixé et un électro-aimant piloté par un ampli audio LM12 est utilisé pour mettre la poutre en vibration (fig.1). La fréquence et le niveau d’excitation sont réglés par un générateur de fonction. Un accéléromètre un axe (ICP réf 333B32) et son conditionneur (Anicia CEI) délivre une tension image de l’accélération (fig.2). L'accéléromètre sert aussi de masse sismique. fig.1 Dispositif d’excitation et de mesure. fig.2 Poutre piézoélectrique et accéléromètre. 3. Modélisation La déformation d’une membrane piézoélectrique induit une polarisation du matériau piézoélectrique et un transfert de charge proportionnel à la contrainte :