Toward the optimization of nonlinear vibration energy harvesters' performance
Vers une optimisation des performances des récupérateurs d’énergie vibratoire non linéaires
Résumé
This thesis focuses on studying devices designed to scavenge and exploit ambient vibrational energy, offering a solution to reduce maintenance operations for battery replacement in wireless sensor networks.This research focuses on bistable piezoelectric generators, which are based on bistable mechanical resonators using piezoelectric transducers to convert mechanical energy into electrical energy.Due to their nonlinear nature, bistable generators have a wider useful frequency range than linear generators, which are characterized by a narrow bandwidth.However, even for simple input vibrations, such as sinusoidal, bistable generators dynamics exhibit complex behaviors (subharmonic orbits and chaos), with different power, for a given excitation configuration, requiring a comprehensive numerical study to evaluate and optimize their energy performance.This work has led to the development of numerical simulation tools that predict the nonlinear dynamics associated with bistable piezoelectric generators.Accelerated computing on GPUs has made it possible to thoroughly study and optimize the energy harvesting performance of bistable generators.The second contribution of this work is the definition of a new figure of merit that takes into account the different possible behaviors to evaluate the performance of bistable generators.This unified approach also quantitatively assesses the efficiency of orbit jump strategies, which allow the system to transition from a low-power behavior to a high-power behavior.This figure of merit has demonstrated the interest in implementing such an orbit jump strategy to maximize the performance of bistable generators.The third aspect of this thesis is the optimization of an orbit jump strategy based on a criterion that evaluates both the harvested energy after the jump and the robustness of the orbit jumps.Optimized orbit jumps have been experimentally validated and show improved performance compared to the literature.Finally, a theoretical analysis is proposed to examine the impact of modifying the bistable potential on performance.This study has shown that the performance of bistable generators can be optimized by fine-tuning the potential as a function of frequency, with estimated power gains ranging from 2 to 10 over a wide range of frequencies.The optimization of the potential configuration was experimentally verified in an original way using an orbit jump strategy.
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.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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