Récupération de l'énergie d'un écoulement par le flottement de plaques piézoélectriques – FLUTTENER

Ce projet combine une analyse théorique des couplages fluide-solide-électriques, une étude numérique de la dynamique non-linéaire de la plaque en flottement couplée au circuit aval et une étude expérimentale du flottement de plaques flexibles en soufflerie, équipées d'un ou plusieurs composants piézoélectriques récupérateurs. Deux éléments essentiels sont essentiels à son succès, à commencer par son interdisciplinarité (avec l'interaction de plusieurs chercheurs d'horizon et thématique de recherches différents). Le second enjeu principal se trouve dans la modélisation de la dynamique non-linéaire fluide-solide, en particulier la représentation des efforts appliqués sur le solide par le fluide: un modèle réaliste doit être obtenu pour la dynamique fluide-structure, permettant de prendre en compte les mécanismes physiques mis en jeu et les propriétés principales de la dynamique du drapeau, tout en restant suffisamment simple pour pouvoir être utilisé conjointement avec les modèles avancés de circuits actifs en électronique de puissance.

Les travaux effectués dans le cadre de ce projet ont permis de mettre en évidence le rôle du couplage entre le circuit aval et la structure sur la dynamique couplée (stabilité, fréquence, amplitude) et sur l'énergie récupérée. Ainsi, en se focalisant sur un modèle simple de couplage piézoélectrique (une distribution continue de composants de taille infinitésimale) et de circuit aval (purement résistif ou résonant), nous avons montré qu'un ajustement du temps caractéristique du circuit à la dynamique fluide-solide permet de déstabiliser la structure (c'est à dire d'abaisser le seuil de vitesse permettant la récupération d'énergie) et d'augmenter la quantité d'énergie transférée au circuit aval. Cet ajustement des fréquences est le résultat d'une interaction complexe entre les propriétés mécaniques et électriques du système: la fréquence de battement du drapeau peut en effet varier sous l'effet de la rétroaction du circuit aval par le couplage piézoélectrique.

Ce projet a de plus permis d'identifier le rôle de la couverture piézoélectrique du drapeau, et comment elle peut être optimisée pour en maximiser l'efficacité. Enfin, il a permis de mieux comprendre les interactions entre drapeaux récupérateurs, à travers leur couplage hydrodynamique mais aussi à travers leur couplage électrique via la boucle de sortie. De nouvelles techniques d'électronique de puissance ont été mises au point afin de permettre l'alimentation d'un circuit unique par plusieurs structures vibrantes, de propriétés potentiellement différentes.

Ce projet permet la collaboration de deux communautés différentes (mécanique des interactions fluide-structures et électronique de puissance) sur un sujet d'enjeu technologique, économique et sociétal important, à savoir l'évaluation du potentiel de récupération d'énergie à partir d'un écoulement de drapeaux piézoélectriques, un design qui a récemment reçu une attention croissante. Une meilleure compréhension des couplages fluide-solide-électrique permettra aussi d'établir les connaissances scientifiques nécessaires à l'évaluation de la faisabilité techniques et économiques de ce type de récupérateur par les acteurs industriels et gouvernementaux. Cette meilleure compréhension doit aussi permettre d'identifier des pistes éventuelles d'optimisation et d'amélioration de ce type de système, et plus généralement de systèmes de récupération d'énergie par interactions fluide-solide.

``Influence and optimization of the electrodes position in a piezoelectric energy harvesting flag'', par M. Pineirua, O. Doaré et S. Michelin, J. Sound Vib., \textbf{346}, 200--215, 2015

``Fluid-solid-electric lock-in of energy harvesting piezoelectric flags'' par Y. Xia, S. Michelin et O. Doaré, \emph{Phys. Rev. App.}, \textbf{3}, 014009, 2015

``Electrical Interfacing Circuit Discussion of Galloping-Based Piezoelectric Energy Harvester'' par Y.-Y. Chen et D. Vasic, \emph{Phys. Procedia}, \textbf{70}, 1017--1021, 2015

``Resonance-induced enhancement of the energy harvesting performance of piezoelectric flags'' par Y. Xia, S. Michelin et O. Doaré, \emph{Appl. Phys. Lett.}, \textbf{107}, 263901, 2016

``Synchronized flutter of two slender flags'' par J. Mougel, O. Doaré et S. Michelin, \emph{J. Fluid Mech.}, \textbf{801}, 652--669, 2016

``Synchronized switch harvesting applied to piezoelectric flags'' par M. Pineirua, S. Michelin, D. Vasic et O. Doaré, \emph{Smart Material Struct.}, \textbf{25}, 085004, 2016

``Electro-hydrodynamic synchronization of piezoelectric flags'' par Y. Xia, O. Doaré et S. Michelin, \emph{J. Fluids Struct.}, \textbf{65}, 398--410, 2016

``Fluid-solid-electric energy transport along piezoelectric flags'', \emph{Eur. J. Comp. Mech., Special Issue on “Fluid Flows with Interactive Boundaries”} (sous presse), 2017

Au dessus d'une vitesse critique de l'écoulement ambiant, une plaque flexible devient instable et développe un battement auto-entretenu de grande amplitude (flottement). Cette instabilité et ses oscillations pouvant se développer sur une grande plage de vitesses, ce mécanisme présente un intérêt certain pour la récupération de l'énergie d'un écoulement géophysique (vent, courant marin ou fluvial) car une partie de l'énergie associée à la déformation du solide peut être convertie sous forme électrique au moyen de générateurs piézoélectriques. Un tel système est particulièrement attractif dans le domaine des faibles puissances, où la connexion au réseau classique est techniquement ou économiquement inefficace.
Le projet de recherche présenté ici propose l'étude théorique, numérique et expérimentale de la capacité de production d'énergie électrique à partir du flottement d'une plaque flexible piézoélectrique dans un écoulement permanent. Un des enjeux essentiels est la détermination de l'efficacité d'un tel système au moyen d'un effort de modélisation du système fluide-solide-électrique. La compréhension et la représentation appropriée de ce couplage fort entre le système fluide-solide et le circuit électrique aval est l'une des originalités majeures de ce projet qui se démarque des travaux existants en interaction fluide-structure, par une représentation réaliste du système de production d'énergie électrique, et de l'approche traditionnelle en électronique de puissance par une prise en compte des effets de seuil, de non-linéarités et de distribution spatiale associés à la dynamique du drapeau.
Les objectifs de ce projet sont: (i) l'estimation de l'efficacité du système, (ii) l'optimisation du circuit aval pour maximiser l'énergie récupérée et (iii) la compréhension des couplages possibles entre deux ou plusieurs systèmes voisins. Dans cette optique, le projet s'organisera autour de trois tâches principales.
La première tâche étudiera numériquement et expérimentalement la dynamique d'un tel drapeau piézoélectrique pour un circuit aval purement dissipatif. Un modèle couplé de la dynamique fluide-solide-électrique sera établi prenant en compte le couplage piézoélectrique et la dynamique non-linéaire fluide-solide associée aux oscillations auto-entrenues du drapeau. L'efficacité du système et ses variations avec les caractéristiques du problème (inertie, raideur, couplage, etc...) seront aussi évaluées.
La deuxième tâche s'intéressera à l'optimisation du circuit aval pour obtenir une énergie récupérée maximale. Des circuits linéaires résonants ou propagatifs seront d'abord considérés, mais la majorité de cette tâche sera dévolue à l'application de techniques actives et non-linéaires récemment développées en électronique de puissance. Une nouvelle approche, plus adaptée aux caractéristiques non-linéaires du mouvement du drapeau, sera aussi développée.
La troisième tâche étudiera les interactions électro- et hydrodynamiques de deux drapeaux piézoélectriques voisins pour identifier la nature constructive ou destructive de ces couplages sur l'énergie récupérée.
Ce projet est caractérisé par une très forte pluri-disciplinarité avec la participation de trois jeunes chercheurs issus de trois unités de recherche différentes et de formation et sensibilités complémentaires (mécanique des fluides et interactions fluide-structures d'une part, génie électrique et électronique de puissance d'autre part).