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Publié le 18 décembre 2015
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12 novembre 2015
14h
Amphi Coulomb - Bâtiment GreEn-ER - 21 avenue des Martyrs - 38000 Grenoble

PVDF polymères piézoélectriques: caractérisation et application pour la récupération d’énergie thermique

Résumé : Les travaux de cette thèse portent sur la caractérisation du polymères piézoélectriques de PVDF et celles de ses composites avec un alliage à mémoire de forme, pour des applications de récupération l’énergie thermique. Tout d’abord, une discussion est donnée sur les avancées actuelles des technologies de récupération d’énergie ainsi que leurs intérêts économiques. Des valeurs typiques de l’énergie pouvant être générée sont estimées, ainsi que des énergies nécessaires pour certaines applications. Une attention particulière est accordée aux principes de fonctionnement des matériaux pyroélectriques et piézoélectriques. Le PVDF et l’alliage à mémoire de forme NiTiCu sont également introduits.
Des techniques de caractérisation adaptées sont introduites pour par voie direct caractériser le PVDF en tant que générateur de charges électriques, et son aptitude à la récolte de l’énergie thermique. Puisque le PVDF est un matériau très souple, la flexion à quatre points, la flexion sur tube, et la machine de traction sont utilisés pour étudier sa réponse piézoélectriques directe en mode quasi-statique, ainsi que les changements de propriétés piézoélectriques sous contrainte. Des mesures d’auto-décharge sous différents champs électriques appliqués, températures et contraintes sont effectuées pour étudier la stabilité du matériau.
Un concept de récupération d’énergie utilisant des composites de matériaux fonctionnels de familles différentes est introduit. Ici, le couplage entre un matériau piézo-/pyroélectrique et un alliage à mémoire de forme est proposé. Le voltage pyroélectrique simple est combiné avec un voltage piézoélectrique induit par la transformation de phase de l’alliage à mémoire de forme, pour augmenter l’énergie totale générée par le système en chauffant. Une preuve de concept est présentée d’abord pour un matériau semi-flexible basé sur une céramique PZT, et ensuite pour le PVDF qui est entièrement flexible.
Enfin, un circuit de gestion d’énergie a été conçu et intégré au récupérateur d’énergie en PVDF. Les hauts pics de tension générés lors du chauffage or refroidissement sont abaissés par un convertisseur de type buck à deux étages jusqu’au une tension de sortie utile stable. L’énergie de sortie est utilisée pour alimenter une carte d’émission sans fil. Ainsi, une chaîne complète de génération d’énergie, exploitant des variations de température et allant jusqu’au l’émission de données représentatives de l’événement thermique survenu est présentée.
Les résultats de ces travaux concernent un large spectre d’applications potentiels, particulièrement les capteurs autonomes sans fil, et des objets de l’Internet of Things, avec une flexibilité mécanique élevée, une épaisseur réduite et de faible coût de maintenance.


Abstract: This work is focused on the characterization of piezoelectric polymers PVDF and its composites with shape memory alloys, for thermal energy harvesting applications. First, we discuss current advancements on energy harvesting technologies as well as their economical interests. Typical values of energy that can be generated are given together with energies typically needed for applications. Particular attention is given to the functioning principles of pyroelectric and piezoelectric materials. PVDF and shape memory alloy NiTiCu are also introduced.
Custom characterization techniques are introduced to characterize PVDF piezoelectric properties relevant to generator applications and to evaluate its suitability for thermal energy harvesting.
Since PVDF is a very flexible material, four-point bending, tube bending and a tensile machine experiments are used to study its piezoelectric response in quasi-static mode, as well as changes in piezoelectric properties with increased strain. Self-discharge measurements under various applied electric fields, temperatures and strains are performed to study the stability of material.
A concept of composite energy harvesting, utilizing two materials of different families, is introduced. Here, we propose the coupling of piezo-/pyroelectric material and shape memory alloy. The pure pyroelectric voltage is combined with generated piezoelectric voltage, induced by shape memory alloy transformation, to increase the total energy generated by the system during heating. The proof of concept is shown first for ceramic PZT-based semi-flexible material and then for fully flexible PVDF.
Finally, a power management circuit was designed and integrated with the PVDF energy harvester. High generated voltage peaks at heating are lowered by a two-step buck converter to a useful stable output voltage. Output energy are used to power a wireless emission card. Thus, a complete power generation chain from temperature variations to data emission is presented.
The results of this work concern a wide range of applications, especially modern autonomous wireless sensors and Internet of Things objects, with low profile, high mechanical flexibility and low maintenance costs.

Devant le jury composé de :

M. Etienne PATOOR, Professeur, ENSAM Metz, Rapporteur
M. François COSTA, Professeur, ENS Cachan, Rapporteur
M. Fabrice DOMINGUES DOS SANTOS, Ingénieur, Arkema - Piezotech, Examinateur
M. Orphée CUGAT, Directeur de Recherche CNRS, Grenoble, Directeur de thèse
M. Bernard VIALA, Ingénieur de Recherche HDR, CEA LETI, Grenoble, Co-Directeur de thèse
Mme. Leticia GIMENO-MONGE, Maitre de conference, UJF, Encadrant de thèse
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mise à jour le 18 décembre 2015

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