Récupération d'Énergie Vibratoire Large Bande – REVILABA

Par la mise en œuvre de capteurs communicants dans des applications industrielles, il est possible d’obtenir des gains de productivité, de fiabilité et de performance énergétique. Les technologies de mesure et de communication sans fil sont disponibles tandis que l’autonomie énergétique demeure le verrou majeur à leur déploiement.
Depuis une dizaine d’années, le concept de récupération d’énergie a été exploité pour réaliser des briques technologiques intégrées à terme à des capteurs communicants, devenant ainsi autonomes. En remarquant que, dans un environnent industriel, l’énergie vibratoire est généralement disponible, les chercheurs ont développé des prototypes de dispositifs de récupération d’énergie vibratoire (DREV). Ces derniers se composent d’un système mécanique, d’un convertisseur électromécanique et d’un module d’extraction et de mise en forme de l’énergie électrique générée.

L’analyse des différentes propositions existantes permet de dégager un certain nombre de limitations et de critères associés au fonctionnement d’un DREV. Parmi ceux-ci :
• La densité de puissance est la spécification majeure.
• La puissance maximale récupérable est globalement proportionnelle à la masse sismique du DREV.
• L’utilisation d’un oscillateur mécanique linéaire (système masse sismique – ressort) induit une bande passante étroite.
• Les utilisateurs souhaitent exploiter des DREV large bande, robustes par rapports aux variabilités de l’environnement vibratoire.
• Pour un DREV, l’utilisation de convertisseurs électriques classiques n’est pas optimale du point de vue de la puissance générée

Notre projet a pour objectif la réalisation d’un dispositif centimétrique de récupération d’énergie vibratoire large bande de densité de puissance élevée.

En abandonnant une approche linéaire au profit de comportements non linéaires, d’importants progrès ont été accomplis au sein de la communauté scientifique ces dernières années. L’exploitation d’oscillateurs mécaniques non linéaires (bistables notamment) a conduit à l’obtention de démonstrateurs qui présentent une bande passante élargie par rapport aux dispositifs linéaires. Ces démonstrateurs ne sont cependant pas encore optimisés du point de vue de la conversion électromécanique. Du point de vue électrique, des techniques non linéaires d’extraction ont été développées et utilisées avec succès dans le cas de convertisseurs piézoélectriques. Elles permettent d’améliorer la densité de puissance d’un facteur compris entre 2 et 8 suivant les structures considérées. Leur potentiel de développement est important, notamment par l’application de ces techniques dans le cas de convertisseurs électromagnétiques. Cette mise en œuvre n’a cependant jamais été réalisée en raison des spécifications particulières qu’elle induit pour la conception du système électromagnétique.

Dans un programme de recherche de 36 mois incluant une thèse de doctorat, nous proposons de concevoir, réaliser et optimiser un dispositif de récupération d’énergie à oscillateur mécanique bistable associé à un convertisseur électromagnétique et un circuit électronique d’extraction non linéaire.
Une structure mécanique inédite utilisant des poutres en flambage sera conçue, réalisée, et caractérisée dans le contexte de la conception d’un DREV.
En parallèle, les travaux en cours dans notre équipe depuis 2009, concernant la mise en œuvre de méthodes d’extraction d’énergie non linéaire dans le cas d’un système de conversion électromagnétique, seront mis à profit et prolongés. La structure du convertisseur fera notamment l’objet d’une conception adaptée et optimale par rapport à l’extraction.
Un premier dispositif complet validera cette approche. Dans une démarche d’optimisation incrémentale, la caractérisation comparée aux modèles de conception développés donnera lieu à la réalisation d’un prototype optimisé. Un prototype de capteur autonome communicant sera alors fabriqué et évalué par rapport à son exploitation industrielle future.