Contribution to the design and development of hybrid Thermal-Vibrational Piezoelectric Energy Harvester

Autour de nous, il existe de nombreuses énergies ambiantes qui seront “perdues” si elles ne sont pas récupérées ni exploitées. Parmi celles-ci, l’énergie issue des vibrations mécaniques et l’énergie thérmique sont parmi les plus répandues car leurs sources sont partout : moteurs de véhicules, marches d’une personne, rayon soleil, etc. Tandis que récupérer de manière individuelle de l’énergie de vibrations et de l’énergie thérmique et les transformer en énergie électrique ont donné lieu à une littérature assez remplie, leur récupération et transformation de manière simultanée et avec le même dispositif sont très peu étudiées.Dans le cadre du projet européen ITN-ENHANCE (Piezoelectric Energy Harvesters for Self-Powered Automotive Sensors: from Advanced Lead-Free Materials to Smart Systems), cette thèse se focalise sur l’étude et le développement de récupérateurs d’énergie de vibrations mécaniques et d’énergie thérmique de manière simultanée et avec les mêmes dispositifs. Appelés dispositifs hybrides de récupération d’énergie, ceux-ci sont à base de matériaux piézoélectriques Niobate de Lithium leur permettant d’avoir la particularité de ne pas être toxiques car sans plomb. Dédiés pour l’alimentation de capteurs autonomes dans les voitures, les défis incluent la faible fréquence des vibrations ainsi que la faible amplitude et la lenteur des fluctuations thérmiques. Les travaux de cette thèse incluent l’étude et le développement de dispositifs en tentant de prendre en compte ces défis, leurs modélisations et simulation, et leurs expérimentations.There are several ambient energies in our surroundings, most of which could be “lost” if not scavenged or exploited. Among them, vibrational energy and thermal energy are two of the most widespread ones as their sources are everywhere: engines in cars, walking persons, solar rays, and so on. While scavenging vibrational and thermal energies individually and transforming them into electrical ones have raised many works in the literature, harvesting them simultaneously and with the same single device has provided very few results.Within the European ITN-ENHANCE project (Piezoelectric Energy Harvesters for Self-Powered Automotive Sensors: from Advanced Lead-Free Materials to Smart Systems), this thesis focuses on the study and development of energy harvesting devices able to simultaneously or individually capture ambient vibrational and thermal energies and converting them into electrical one by using the same harvester device and element. Called hybrid thermal vibrational energy harvesters, the devices are based on Lithium Niobate piezoelectric materials allowing them to be lead-free and non-toxic. Devoted to power autonomous sensors in vehicles, the challenges faced include the low vibrational frequency as well as the low amplitude and slow temperature fluctuations. The thesis works include studying and developing several designs of hybrid energy harvesters, their modeling, simulation, fabrication, and experimental results