Contribution to the development of a piezoelectric generator dedicated to portable applications
Contribution au développement d'un générateur piézoélectrique pour applications nomades
Résumé
Since the market of portable electronic devices has been expanding for the last ten years, and their energy consumption has been decreasing in parallel, the idea of harvesting the energy of human movements is arousing a renewed interest.
In this context, we conceived and made a prototype piezoelectric generator, in order to supply portable devices consuming between 10μW and 1 mW. The piezoelectric materials that we used are PZT ceramics, working in compression under a low frequency constraint (quasi-static mode). The generator consists in three conversion stages : the mechanical application device (MAD), the piezoelectric device (PD) and the harvesting system (HS).
On the one hand, we modelled the PD in quasi-static mode, in order to highlight its working characteristics and estimate the delivered power, knowing the shape, amplitude and frequency of the mechanical constraint. On the other hand, we conceived, made and tested two different experimental devices, in order to demonstrate the feasibility of the concept. The delivered power reaches 13.2 μW for a 100 kOhms load, with a 55 Hz constraint of 2 N per piezoceramic. At last, we designed a harvesting electronic circuit, allowing to increase the converted energy. This circuit is dedicated to the PD, whose characteristics of impedance and current are special. Moreover, the use of low consumption components is necessary, with a view to carry out an autonomous generator.
Avec l'expansion du marché des appareils électroniques portables et la diminution conjointe de leur consommation, l'idée de convertir l'énergie des mouvements humains en énergie électrique suscite un regain d'intérêt.
Dans ce contexte, nous avons conçu et réalisé un générateur piézoélectrique prototype, destiné à alimenter des systèmes portables dont la puissance est comprise entre 10μW et 1 mW. Les matériaux utilisés sont des céramiques en PZT, fonctionnant en compression sous l'effet d'une contrainte de faible fréquence (régime quasi-statique). Le générateur est constitué de trois parties : le dispositif mécanique
d'application (DMA) de la contrainte, le système piézoélectrique (SP) et le système de récupération (SR).
D'une part, nous avons modélisé le SP en régime quasi-statique afin de mettre en évidence ses caractéristiques de fonctionnement, et d'estimer la puissance générée sous l'effet d'une contrainte mécanique de forme, d'amplitude et de fréquence données. D'autre part, nous avons conçu, réalisé et testé deux maquettes expérimentales, afin de démontrer la faisabilité d'un tel générateur. La puissance délivrée atteint 13,2 μW sur une charge de 100 kOhms, pour une contrainte à 55 Hz et de 2 N par barreau piézoélectrique. Enfin, nous avons mis au point un circuit électronique de récupération, permettant d'accroître l'énergie électrique générée. Ce circuit a été spécialement conçu pour le SP, dont les caractéristiques d'impédance et de courants sont particulières. En outre, l'utilisation de composants à faible consommation est indispensable dans l'optique de réaliser un générateur autonome.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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