Projet ANR-12-JS09-0017 – FLUTTENER : Récupération de l'énergie d'un écoulement par le flottement de plaques piézoélectriques
Programme : JCJC - SIMI 9 - Sciences de l'Ingénierie, Matériaux, Procédes et Energie (JCJC SIMI 9)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Sebastien MICHELIN (Laboratoire d'Hydrodynamique)
Partenaires : Laboratoire d'Hydrodynamique
Montant : 227968.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 36 mois
Résumé : Récupération de l'énergie d'un écoulement par le flottement de plaques piézoélectriquesLes instabilités fluide-solide permettent la mise en mouvement spontanée et auto-entretenue de structures par un écoulement géophysique stationnaire (ex: vibrations de cables soumis à un courant sous-marin, battement d'un drapeau dans le vent). Ce projet vise à étudier la récupération de l'énergie mécanique associée au mouvement d'une plaque flexible en écoulement axial (ex: drapeau) au moyen de composants piézoélectriques ainsi que la dynamique couplée fluide-solide-électrique qui en résulte.
Vers une meilleure compréhension et une optimisation des interactions fluide-solide-électriques.Ce projet s'articule autour de trois objectifs principaux qui permettront d'évaluer la faisabilité et le potentiel de récupération d'énergie d'un drapeau piézoélectrique en écoulement axial.L'objectif principal est la compréhension de la dynamique de la plaque piézoélectrique, et l'évaluation de l'énergie récupérable. Pour cela,  un modèle couplé fluide-solide-électrique est nécessaire, permettant la prise en compte de la rétroaction des composants piézoélectriques: la déformation de ces composants entraîne un transfert de charges dans le circuit aval, et une tension électrique aux bornes de ces composants entraîne un effort supplémentaire sur la structure. La modification des propriétés de battement par le circuit aval doit être comprise et quantifiée. Enfin, l'efficacité du système sera déterminée, comme la fraction du flux d'énergie cinétique dans le fluide effectivement convertie en énergie électrique dans le circuit aval.Le deuxième objectif de ce projet est d'identifier des améliorations potentielles de l'efficacité de ce système au travers d'une optimisation du circuit aval connecté aux composants piézoélectriques. Dans ce but, le projet appliquera à ce système différentes techniques d'électronique de puissance à la pointe de ce domaine. Le défi le plus important associé à cet objectif est la mise au point d'un modèle complètement intégré permettant la prise en compte de ces techniques et de la dynamique du drapeau. Enfin, du fait de la faible densité énergétique des écoulements géophysiques, il est probable que ce type de dispositif soit utilisé, non pas de manière isolée, mais en utilisant plusieurs récupérateurs identiques. Le troisième objectif de ce projet est donc de déterminer la nature et l'effet des interactions hydrodynamiques et électrodynamiques de deux ou plusieurs unités. En particulier, on s'intéresse à la possibilité de récupérer une quantité d'énergie supérieure du fait de ce couplage.
Un projet interdisciplinaire en interactions fluide-solide-electriqueCe projet combine une analyse théorique des couplages fluide-solide-électriques, une étude numérique de la dynamique non-linéaire de la plaque en flottement couplée au circuit aval et une étude expérimentale du flottement de plaques flexibles en soufflerie, équipées d'un ou plusieurs composants piézoélectriques récupérateurs. Deux éléments essentiels sont essentiels à son succès, à commencer par son interdisciplinarité (avec l'interaction de plusieurs chercheurs d'horizon et thématique de recherches différents). Le second enjeu principal se trouve dans la modélisation de la dynamique non-linéaire fluide-solide, en particulier la représentation des efforts appliqués sur le solide par le fluide: un modèle réaliste doit être obtenu pour la dynamique fluide-structure, permettant de prendre en compte les mécanismes physiques mis en jeu et les propriétés principales de la dynamique du drapeau, tout en restant suffisamment simple pour pouvoir être utilisé  conjointement avec les modèles avancés de circuits actifs en électronique de puissance.
Résumé de la soumission : Au dessus d'une vitesse critique de l'écoulement ambiant, une plaque flexible devient instable et développe un battement auto-entretenu de grande amplitude (flottement). Cette instabilité et ses oscillations pouvant se développer sur une grande plage de vitesses, ce mécanisme présente un intérêt certain pour la récupération de l'énergie d'un écoulement géophysique (vent, courant marin ou fluvial) car une partie de l'énergie associée à la déformation du solide peut être convertie sous forme électrique au moyen de générateurs piézoélectriques. Un tel système est particulièrement attractif dans le domaine des faibles puissances, où la connexion au réseau classique est techniquement ou économiquement inefficace. Le projet de recherche présenté ici propose l'étude théorique, numérique et expérimentale de la capacité de production d'énergie électrique à partir du flottement d'une plaque flexible piézoélectrique dans un écoulement permanent.  Un des enjeux essentiels est la détermination de l'efficacité d'un tel système au moyen d'un effort de modélisation du système fluide-solide-électrique.  La compréhension et la représentation appropriée de ce couplage fort entre le système fluide-solide et le circuit électrique aval est l'une des originalités majeures de ce projet qui se démarque des travaux existants en interaction fluide-structure, par une représentation réaliste du système de production d'énergie électrique, et de l'approche traditionnelle en électronique de puissance par une prise en compte des effets de seuil, de non-linéarités et de distribution spatiale associés à la dynamique du drapeau.Les objectifs de ce projet sont: (i) l'estimation de l'efficacité du système, (ii) l'optimisation du circuit aval pour maximiser l'énergie récupérée et (iii) la compréhension des couplages possibles entre deux ou plusieurs systèmes voisins. Dans cette optique, le projet s'organisera autour de trois tâches principales. La première tâche étudiera numériquement et expérimentalement la dynamique d'un tel drapeau piézoélectrique pour un circuit aval purement dissipatif. Un modèle couplé de la dynamique fluide-solide-électrique sera établi prenant en compte le couplage piézoélectrique et la dynamique non-linéaire fluide-solide associée aux oscillations auto-entrenues du drapeau. L'efficacité du système et ses variations avec les caractéristiques du problème (inertie, raideur, couplage, etc...) seront aussi évaluées.La deuxième tâche s'intéressera à l'optimisation du circuit aval pour obtenir une énergie récupérée maximale. Des circuits linéaires résonants ou propagatifs seront d'abord considérés,  mais la majorité de cette tâche sera dévolue à l'application de techniques actives et non-linéaires récemment développées en électronique de puissance. Une nouvelle approche, plus adaptée aux caractéristiques non-linéaires du mouvement du drapeau, sera aussi développée.La troisième tâche étudiera les interactions électro- et hydrodynamiques de deux drapeaux piézoélectriques voisins pour identifier la nature constructive ou destructive de ces couplages sur l'énergie récupérée.Ce projet est caractérisé par une très forte pluri-disciplinarité avec la participation de trois jeunes chercheurs issus de trois unités de recherche différentes et de formation et sensibilités complémentaires (mécanique des fluides et interactions fluide-structures d'une part, génie électrique et électronique de puissance d'autre part).
Résultats : Les travaux effectués dans le cadre de ce projet ont déjà permis de mettre en évidence le rôle du couplage entre le circuit aval et la structure sur la dynamique couplée (stabilité, fréquence, amplitude) et sur l'énergie récupérée. Ainsi, en se focalisant sur un modèle simple de couplage piézoélectrique (une distribution continue de composants de taille infinitésimale) et de circuit aval (purement résistif ou résonant), nous avons montré qu'un ajustement du temps caractéristique du circuit à la dynamique fluide-solide permet de déstabiliser la structure (c'est à dire d'abaisser le seuil de vitesse permettant la récupération d'énergie) et d'augmenter la quantité d'énergie transférée au circuit aval. Cet ajustement des fréquences est le résultat d'une interaction complexe entre les propriétés mécaniques et électriques du système: la fréquence de battement du drapeau peut en effet varier sous l'effet de la rétroaction du circuit aval par le couplage piézoélectrique.
Perspectives : Ce projet permet la collaboration de deux communautés différentes (mécanique des interactions fluide-structures et électronique de puissance) sur un sujet d'enjeu technologique, économique et sociétal important, à savoir l'évaluation du potentiel de récupération d'énergie à partir d'un écoulement de drapeaux piézoélectriques, un design qui a récemment reçu une attention croissante. Une meilleure compréhension des couplages fluide-solide-électrique permettra aussi d'établir les connaissances scientifiques nécessaires à l'évaluation de la faisabilité techniques et économiques de ce type de récupérateur par les acteurs industriels et gouvernementaux. Cette meilleure compréhension doit aussi permettre d'identifier des pistes éventuelles d'optimisation et d'amélioration de ce type de système, et plus généralement de systèmes de récupération d'énergie par interactions fluide-solide.
Publications et brevets : «Energy harvesting efficiency of piezoelectric flags in axial flows«, S. Michelin & O. Doaré, J. Fluid Mech., 2013\\
“Effets inductifs sur la récupération d’énergie par drapeau piézoélectrique”, Y. Xia, S. Michelin & O. Doaré, Congrès Français de Mécanique 2013
«Modèle d'impédance non-linéaire d'une plaque piézoélectrique dans un écoulement«, M. Pineirua, O. Doaré & S. Michelin, Congrès Français de Mécanique, 2013