Vers une optimisation des performances des récupérateurs d’énergie vibratoire non linéaires

Overview & Synopsis

Cette thèse porte sur l'étude de dispositifs conçus pour capturer et valoriser l'énergie vibratoire ambiante, offrant ainsi une solution pour diminuer le nombre d'opérations de maintenance nécessaires au remplacement des batteries dans les réseaux de capteurs sans fil. Les générateurs piézoélectriques bistables, objets de cette recherche, sont basés sur des résonateurs mécaniques bistables et utilisent des transducteurs piézoélectriques pour convertir l'énergie mécanique en énergie électrique. En raison de leur nature non linéaire, les générateurs bistables disposent d'une large bande de fréquences utile par rapport aux générateurs linéaires, caractérisés par une bande passante étroite. Cependant, même face à des gisements vibratoires simples, tels que des vibrations sinusoïdales, la dynamique des générateurs bistables révèle divers comportements (sous-harmoniques et chaos) de puissance différente pour une configuration de l'excitation donnée, nécessitant une étude numérique approfondie pour évaluer et optimiser leur performance énergétique. Ces travaux ont mené au développement d'outils de simulation numérique pour la prédiction de la dynamique non linéaire associée aux générateurs piézoélectriques bistables. L'accélération des calculs sur GPU a conduit à une étude détaillée et une optimisation des performances énergétiques des générateurs bistables. Une deuxième contribution de ces travaux réside dans la définition d'un nouveau facteur de mérite prenant en compte les différents comportements possibles afin d'évaluer les performances des générateurs bistables. Cette approche unifiée permet également d'évaluer l'efficacité de stratégies de saut d'orbite, méthodes permettant au système de transiter d'un comportement basse puissance à un comportement haute puissance. Ce facteur de mérite a démontré l'intérêt d'implémenter une telle stratégie de saut d'orbite, en vue de maximiser les performances des générateurs bistables. Un troisième volet de cette thèse concerne l'optimisation d'une stratégie de saut d'orbite, basée sur un critère évaluant à la fois l'énergie récupérée post-saut et la robustesse des sauts d'orbite. Les sauts d'orbite optimisés ont été validés expérimentalement et montrent des performances améliorées par rapport à la littérature. Enfin, une analyse théorique pour examiner comment la modification du potentiel bistable affecte les performances est présentée. Cette étude a permis d'estimer un gain de puissance compris entre 2 et 10 sur une large plage de fréquences, soulignant l'intérêt d'adapter le potentiel en fonction de la fréquence afin d'optimiser les performances des générateurs bistables. L'optimisation du potentiel bistable est vérifiée expérimentalement de façon originale à l'aide d'une stratégie de saut d'orbite.