Optimisation topologique des récupérateurs d'énergie piézoélectrique multidirectionnels dédiés aux dispositifs de suivi des oiseaux
Institution:
Bourgogne Franche-ComtéDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
GPS Tracking devices have a key role in studying the life of birds on earth. These tracking devices let us know birds' migration process to study their habitats, their evolutionary procedure and threats they may encounter during their lifetime including their prey animal, infectious diseases, climate change, etc. To avoid recapturing the birds and to keep the functionality of tracking devices for the whole lifespan of the birds, a power source is needed to convert the energy of the environment to electrical energy. This can be a challenging issue especially for smaller size birds where the conventional solar panels are not practical anymore due to lack of space and restriction on maximum weight. Alternatively, birds with their flapping wings generate mechanical vibration, which can be converted to electrical energy to supply power for tracking devices. In this regard, piezoelectric materials show promising performance in converting the mechanical energy to electrical energy due to their high power density and structural simplicity.The aim of this thesis is to design a piezoelectric energy harvester that can exploit the energy of mechanical excitation coming from different directions while respecting the maximum permitted weight and volume for the tracking device. Designing an efficient harvester for a small scale tracking device by maximizing the electrical output with respect to mechanical input energy is essential. In this regard, topology optimization method as a structural optimization methodology based on finite element method is employed to design miniaturized multi directional piezoelectric energy harvesters. The optimization methodology is primarily applied on 2D design domain of single layer and multi layer piezoelectric plates. Then, the material distribution and polarization profile are optimized simultaneously to maximize the harvested electrical energy and to avoid the charge cancellation. Furthermore, topology optimization is applied on 3D design domain in which a combination of passive and active piezoelectric material is considered to harmonize the harvested energy coming from different directions and facilitate the fabrication procedure. The efficiency of the optimized designs are investigated by numerical FEM simulations in COMSOL multiphysics software and experiments are carried-out to characterize each fabricated prototype. The challenges of fabrication procedure in respecting the obtained optimized layouts and polarization profile are addressed as well. The performance of the optimal designs are compared with the conventional piezoelectric energy harvesters and their superiority is finally demonstrated.
Abstract FR:
Les dispositifs GPS ont un rôle clé dans le suivi des oiseaux migrateurs. Ces dispositifs permettent d’étudier notamment les processus de migration de ces oiseaux, leurs habitats, leurs évolutions ainsi que les menaces qu'ils peuvent rencontrer au cours de leur vie y compris les maladies infectieuses, le changement climatique, etc. Pour éviter la recapture des oiseaux et maintenir le dispositif de suivi en fonction pour toute la durée de vie des oiseaux, une source d’énergie est nécessaire pour convertir l’énergie de l’environnement en énergie électrique. Cela constitue un défi important lorsqu'il s'agit des oiseaux de petite taille où les cellules solaires conventionnelles ne sont pas adaptées en raison de la limitation de masse pouvant être embarquée par les oiseaux. En revanche, les battements des ailes des oiseaux génèrent des vibrations mécaniques qui peuvent être converties en énergie électrique afin d'alimenter les dispositifs de suivi. A cet égard, les matériaux piézoélectriques constituent une alternative prometteuse en raison de leur densité de puissance élevée et de leur simplicité structurelle.L'objectif de cette thèse est de concevoir un récupérateur d’énergie piézoélectrique capable d’exploiter l’énergie d'excitation mécanique provenant de différentes directions tout en respectant les limitations de poids et de volume autorisées pour les dispositifs de suivi des oiseaux. Concevoir un tel récupérateur aux petites échelles en maximisant le rapport entre l’énergie électrique (sortie) et l’énergie mécanique (entrée) est essentiel. Pour cela, la méthode optimisation topologique est exploitée pour miniaturiser ces dispositifs. Dans un premier temps, la méthode est appliquée pour concevoir des récupérateurs 2D monocouches et multicouches. Ensuite, la distribution du matériau et le profil des électrodes sont optimisés simultanément afin de maximiser l'énergie électrique récupérée et d'éviter l'annulation des charges dues à l'uniformisation des électrodes. Par ailleurs, la méthode d'optimisation a été étendue en 3D permettant ainsi d'harmoniser l’énergie récupérée pour différentes directions d'excitation et faciliter la procédure de fabrication. L'efficacité de chaque récupérateur optimisé est démontrée par des simulations numériques sous COMSOL multiphysics et des expérimentations sont conduites pour caractériser chaque prototype. Les résultat obtenus montrent largement la supériorité des récupérateurs optimisés par rapports aux récupérateur conventionnels.