[PDF] Contribution à la modélisation tridimensionnelle des interactions

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THÈSE

Pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE LA COMMUNAUTE UNIVERSITE

GRENOBLE ALPES

Spécialité : Mécanique des fluides, Procédés, Énergétique

Arrêté ministériel : 25 mai 2016

Présentée par

Matthias GEISLER

Thèse dirigée par Simon PERRAUD

et codirigée par Sébastien BOISSEAU préparée au sein du capteurs, CEA LETI dans l'École Doctorale Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Énergétique, Procédés, Production (IMEP2) pour vêtements connectés autonomes Thèse soutenue publiquement le 30 Novembre 2017 devant le jury composé de :

M. Bernard MULTON

Professeur, ENS Rennes, Rapporteur

M. Lionel PETIT

Professeur, INSA Lyon, Rapporteur

M. Noureddine BOUHADDI

Professeur, Université de Franche-Comté, Président

Mme Claire JEAN-MISTRAL

Maître de Conférences, INSA Lyon, Membre

M. Skandar BASROUR

Professeur, Université Grenoble Alpes, Membre

M. Simon PERRAUD

Ingénieur de recherche, CEA Grenoble, Directeur de thèse

M. Sebastien BOISSEAU

Ingénieur de recherche, CEA Grenoble, Encadrant de thèse

Remerciements

Ces trois années de thèse passées à Grenoble Si la majesté tranquille des montagnes a eu certes surtout les personnes toute ma gratitude. En premier lieu, je remercie Sébastien Boisseau qui a encadré mes travaux avec une grande disponibilité et un pragmatisme impeccable ! climat serein. Je remercie également mon directeur de thèse, Simon Perraud, pour ses avis et son assistance régulière dans mes travaux, ainsi que ses encouragements au fil de ces trois années. Merci à Imène Ait-Ali, pour nos échanges ont mon sujet, et ainsi de choisir plus facilement les voies à explorer. Je remercie Bernard Multon et Lionel Petit, rapporteurs de ce manuscrit, ainsi que les autres membres du jury, Claire Jean-Mistral, Skandar Basrour et Nourredine Bouhaddi d me partager leur expertise, et pour leur avis critique sur mes travaux. Je remercie aussi les nombreuses personnes au CEA qui ont partagé leur savoir-faire avec moi, dans une ambiance amicale excellente : Elisabeth Delevoye, Pierre Gasnier, Jérôme Willemin, Sébastien Brulais, Matthieu Boucaud, Maxime Gallardo, Benoit Duret, Prince-Arnaud Ramahefa- Andry, Cyril Gobbo, Fabrice Emieux... Merci de si bien accueilli parmi vous.

Merci à tous les camarades doctorants ou ex-doctorants croisés pendant ces trois années, pour tous

les sujets philosophiques (et moins philosophiques) qui ordre du jour du déjeuner ! artagé un bureau très " musical » pendant deux ans, avec des séances de brainstorming-triboélectricité mémorables.

Merci aux enragés du football du lundi et du jeudi, avec une mention spéciale à Kersane du FC

Barcelone des Comores.

Merci à mes Pepinos musicaux, Joachim, Mélanie, Cédric, Adina, Laetitia, Hélène, Marilyne, Claire,

et les autres guest-stars occasionnelles. Rien de tel que le baroque et le tango pour se secouer les neurones au milieu de la semaine. A ma famille, et ma (demi-)belle famille, votre affection est un moteur formidable.

Enfin, à ma Bertille

aux découvertes et aux surprises.

Résumé

La fonctionnalisation " intelligente » des vêtements et accessoires portés par la personne est un phénomène

à croissance rapide, comme en témoigne lpersonnes en de ces systèmes est un enjeu important, tant en termes ve pour

complémenter ou remplacer ces unités de stockages. Cette thèse explore plusieurs approches pour utiliser

Après avoir identifié le besoin énergétique Le premier est un générateur inertiel à induction résonant le AA et

de puissance supérieure à 800µW/cm3 lors de la course à pied. Le second récupérateur étudié est aussi un

toroïdale », il exploite le balancier des membres de la est fixé au niveau du transduction

électrostatique à capacité variable pour exploiter des déformations dans les vêtements. Le système associe

la triboélectricité -polarisation passif, le doubleur de Bennet. Cette combinaison permet

de polariser une capacité variable de façon importante, sans source de tension externe, et ainsi de maximiser

isé pour faire la preuve du concept produit ainsi plus de structures étirables et La comparaison de ces trois approches est instructive quant aux perspectives de développement du

Abstract

-growing trend, as demonstrated by the emblematic example of smartphones which became almost essential in the

everyday life in less than a decade. One important stake of these systems is their power supply, in terms of

is not the most attractive prospect. Energy harvesting techniques may provide an alternative or a

complement to the use of these storage units. This thesis explores different structures of generators to

-sufficiency of smart wearables. Based on power requirement considerations and comparing human

energy harvesters from the literature, different structures are investigated. The first one is an inertial

electromagnetic generator, the size of an AA-battery, designed to convert footsteps impacts. A thoroughly

modelled and optimized device is able to generate power densities over 800µW/cm3 while attached on the

adapted to exploit the swing--

level powers from the motion of a small magnetic ball inside the device. Finally, a third generator concept

that relies on electrostatic induction was developed, which uses variable capacitance structures to turn

clothes deformations into electricity. The architecture of this energy harvester combines the triboelectric

effect with a circuit of built-up self-

without the need of an external source, and thus to maximize the energy generated per electrostatic cycle.

A simple test device is shown to produce over 150µJ per cycle. This approach is promising in terms of

integration in smart clothing, because it enables the development of flexible and stretchable devices well

complying with the comfort requirements of worn systems. The comparison of those three energy harvesters provides an interesting basis for the future

Table des matières

Chapitre 1 ........ 9

I ergie : enjeux et avantages .......................................................................................... 9

II Les vêtements connectés ..............................................................................................................................11

1 Généralités..................................................................................................................................................11

2 Fibres conductrices ...................................................................................................................................11

3 Stockage ......................................................................................................................................................12

4 Fonctions électroniques intégrées ..........................................................................................................13

III ......................................................................................16

1 Modules photovoltaïques .........................................................................................................................16

2 Thermoélectricité ......................................................................................................................................19

3 Exploitation des ondes radio...................................................................................................................22

IV Objectif de la thèse ....................................................23

Chapitre 2 .............................. 25

I Récupérateurs à induction électromagnétique ..........................................................................................27

1 Principe physique ......................................................................................................................................27

2 .....................................................................................................28

3 Récapitulatif des performances des récupérateurs inductifs ..............................................................31

II Structures électrostatiques et triboélectriques ...........................................................................................34

1 Sur la triboélectricité .................................................................................................................................34

2 effet triboélectrique .................................................................................................36

3 ............................................37

4 Conclusion sur la transduction triboélectrique, et sa pertinence pour les applications textiles ....44

III Convertisseurs piézoélectriques ..................................................................................................................46

1 Piézoélectricité : phénomène et matériaux ............................................................................................46

2 Générateurs piézoélectriques sur la personne ......................................................................................47

3 ...................................................................52

Chapitre 3 .................... 57

I Etude préliminaire : le modèle du résonateur linéaire, une référence utile ..........................................58

1 Système linéaire - Limitation du mouvement de la masse mobile ....................................................58

2 Application à une stimulation humaine : la course à pied ..................................................................61

II Développement du récupérateur non-linéaire ..........................................................................................64

1 Structure du système .................................................................................................................................64

2 " Ressorts magnétiques » ..........................................................................................................................65

3 Couplage électromécanique .....................................................................................................................68

4 Optimisation du générateur .....................................................................................................................79

III ....................................................................................................................................81

1 Réalisation ..................................................................................................................................................81

2 Caractérisation harmonique .....................................................................................................................82

3 Performances sur une stimulation de type " course à pied » ..............................................................84

4 .......................................................................................................................89

IV ...............................................................................................................................................93

1 Puissance électrique ..................................................................................................................................93

2 Tensions .....................................................................................................................................................94

3 Densité de puissance ................................................................................................................................94

4 Conclusion .................................................................................................................................................96

Conclusion du chapitre 3 : Attraits et limites du récupérateur résonant non-linéaire .................................97

Chapitre 4 Le générateur inertiel toroïdal ....................................................................... 99

I Le générateur inertiel toroïdal à bille magnétique ................................................................................. 100

1 Structure .................................................................................................................................................. 100

2 Evaluation thé .. 100

3 Bille magnétique et couplage électromécanique ................................................................................ 103

II ................................................................................................................. 108

1 Réalisation du dispositif ........................................................................................................................ 108

2 Mesures des performances en situation de course à pied ................................................................ 109

3 Variantes structurelles ........................................................................................................................... 112

4 Applications ............................................................................................................................................ 113

III Perspective sur le générateur toroïdal résonant ..................................................................................... 115

1 Structure du générateur toroïdal résonant .......................................................................................... 116

2 Modèle ..................................................................................................................................................... 116

3 Simulations Course à pied ................................................................................................................. 118

4 Conclusion sur le format résonant ...................................................................................................... 120

Conclusion : Potentiel du générateur toroïdal ................................................................................................. 121

Chapitre 5 Systèmes triboélectriques à polarisation contrôlée ...................................... 123

I Préambule ................................ 124

1 ........................................................................ 124

2 Exploitation en charge continue .......................................................................................................... 125

II Générateur à polarisation entretenue " Doubleur de Bennet » ........................................................ 128

1 -polarisation à pompe de charges Cas idéal ........................................................................ 128

2 -polarisation : le " doubleur de Bennet » ................................................... 129

3 Système triboélectrique à polarisation contrôlée ............................................................................... 132

4 Conclusion .............................................................................................................................................. 140

III Etude expérimentale du concept .............................................................................................................. 141

1 Prototype ................................................................................................................................................. 141

2 Caractérisation de la capacité variable triboélectrique ...................................................................... 142

3 Structure à polarisation contrôlée ........................................................................................................ 144

Conclusion et perspectives ................................................................................................................................. 149

Conclusion générale ........................................................................................................... 151

Bibliographie..................................................................................................................... 153

Annexes ............................................................................................................................. 163

3A Modèle Simulink du générateur résonant non-linéaire ........................................................................ 163

4A Schéma Simulink du modèle de la masse ponctuelle en rotation ........................................................ 164

4B tie dans le générateur rotationnel en mouvement plan ......................... 165

5A Modèle de capacité variable triboélectrique à une seule couche diélectrique ................................... 167

5B - Capacité variable triboélectrique : décharge aux extrema de la capacité ............................................ 168

5C Initialisation triboélectrique du doubleur de Bennet diodes trop importante ....................................................................................................................................... 170

8 9

Chapitre 1

connectés

contraintes propres aux vêtements connectés sont estimés, et la pertinence de la récupération

I : enjeux et avantages

autonome est séduisante. Les êtres vivants en sont un parfait exemple, par les processus

- lumière,

énergie (" energy

harvesting -ci. Sur ce principe, elle se rique produite de façon centralisée et au recours à des unités de stockage pré-chargées (batteries/piles électrochimiques). La thématique de la récupération (ou " récolte a émergé au début des années

1990, et le nombre de travaux de recherche associés croît rapidement depuis la seconde moitié des

années 2000 (FIGURE 1-1). FIGURE 1-1 Evolution du nombre de publications liées à la thématique " energy harvesting » (Web of Science [1]) une solution de ou en complément eurs critères, parmi : -être pas souhaitable de planter une éolienne pour alimenter un microsystème) ; 0 1000
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