Quand le vent alimente des senseurs sans fil

On a développé récemment nombre de micro senseurs communicant par radio. Pour alimenter ces dispositifs  miniatures, on a envisagé de “moissonner” de l’énergie par un système intégré sur les puces de silicium des senseurs. Des scientifiques de la National University of Singapore, Singapour, République de Singapour et de  la National Chiao Tung University, Hsinchu, Taiwan, ont proposé et réalisé  un dispositif récupérateur d’énergie basé sur des cylindres susceptibles d’osciller en présence de courants d’air. Ces oscillations excitent des microsystèmes électromécaniques (MEMS) piézoélectriques.

 

L’exploitation d’oscillations mécaniques dues à des tourbillons (ou vortex) pour fournir de l’électricité repose sur ce  que les physiciens ont appelé vibration induite par vortex (VIV).

La vibration induite par vortex se produit quand des tourbillons périodiques se détachent d’un corps exposé à un flux continu de fluide; on appelle ce dernier phénomène les allées de  Bénard- von Karman.

Une allée de tourbillons de Bénard-von Karman est un motif périodique de vortex dû à la séparation instable d’un écoulement autour d’un obstacle non profilé. L’animation ci-dessous décrit le phénomène.Wikimedia  Cesareo de la Rosa Siqueira

Ceci induit  sur le corps des forces périodiques, d’où des oscillations dont l’amplitude peut être élevée si leur  fréquence correspond à la fréquence de résonance du corps qui fait obstruction à l’écoulement.

La figure 1 ci-dessous décrit la structure d’un élément du système proposé. Il est constitué d’un tube en polystyrène de diamètre 2 mm et de longueur 10 mm fixé sur un MEMS.

Fig.1. Collecteur d'énergie a)Schéma du collecteur d'énergie du vent. b) Photographie du collecteur d'énergie. Dessin schématique du dispositif MEMS avec les différentes couches le constituant. Tiré de Vortex-induced vibration wind energy harvesting by piezoelectric MEMS device in formation Yin Jen Lee, Yi Qi, Guangya Zhou & Kim Boon Lua Scientific Reports | (2019) 9:20404 C.C. 4.0

Fig.1. Collecteur d’énergie
a) Schéma du collecteur d’énergie du vent.
b) Photographie du collecteur d’énergie.
Dessin schématique du dispositif MEMS avec les différentes couches le constituant.
Tiré de Vortex-induced vibration wind energy harvesting by piezoelectric
MEMS device in formation
Yin Jen Lee, Yi Qi, Guangya Zhou & Kim Boon Lua
Scientific Reports | (2019) 9:20404 C.C. 4.0

Le tube cylindrique circulaire oscillant est  simplement collé à la colle cyanoacrylate sur le MEMS. Celui-ci est fabriqué par les techniques classiques de masquages suivis d’attaques chimiques propres à l’industrie des circuits intégrés. La plateforme qui supporte le tube polystyrène est en porte-à-faux par rapport au reste du MEMS. Elle comporte une couche de matériau piézoélectrique (nitrure d’aluminium, AlN) qui a la charge de convertir l’énergie mécanique de l’oscillation en énergie électrique.

La figure 2 représente les deux modes propres d’oscillation du cylindre fixé au MEMS.

Fig.2 Modes d’oscillation du système collecteur d’énergie du vent.
a) L’analyse numérique fournit pour le mode 1 une fréquence propre de 58 Hz
b) et pour le mode 2 une fréquence propre de 154Hz.
Tiré de Vortex-induced vibration wind energy harvesting by piezoelectric
MEMS device in formation
Yin Jen Lee, Yi Qi, Guangya Zhou & Kim Boon Lua
Scientific Reports | (2019) 9:20404 C.C. 4.0

 

Seul le mode 1 est utilisable : la flexion du porte-a-faux crée une différence de potentiel importante aux bornes du piézoélectrique. Le mode 2 de torsion a peu d’effet sur le piézo.
Le dispositif a été testé dans une petite soufflerie.

On a ensuite disposé autour du cylindre oscillant des réseaux carrés de pas L de cylindres pleins de même taille (voir Fig.3.).

Fig.3. Collecteur d'énergie placé dans un réseau de cylindres passifs Tiré de Vortex-induced vibration wind energy harvesting by piezoelectric MEMS device in formation Yin Jen Lee, Yi Qi, Guangya Zhou & Kim Boon Lua Scientific Reports | (2019) 9:20404 C.C. 4.0

Fig.3. Collecteur d’énergie placé dans un réseau de cylindres passifs
Tiré de Vortex-induced vibration wind energy harvesting by piezoelectric
MEMS device in formation
Yin Jen Lee, Yi Qi, Guangya Zhou & Kim Boon Lua
Scientific Reports | (2019) 9:20404 C.C. 4.0

 

En faisant varier le rapport L/D et le nombre de barreaux passifs, les chercheurs ont pu établir qu’avec L/D = 4 et un réseau de 3 x 3, on obtenait une puissance maxima (de l’ordre du nanowatt) double de celle collectée par le cylindre isolé pour une vitesse de vent donnée.

On obtient toujours une puissance plus élevée que celle du cylindre oscillant isolé quand on dispose autour de lui un réseau de cylindres.
Une explication en est que les cylindres passifs en amont du cylindre oscillant créent une vitesse transverse périodique qui augmente la réponse du cylindre oscillant collecteur.

 

 

 

Ce dispositif offre une voie vers l’alimentation de senseurs miniaturisés. Le système a un faible coût dû à la facile intégration  du collecteur d’énergie et du senseur sur la même puce de silicium.

 

 

 

Pour en savoir plus :

Vortex-induced vibration wind energy harvesting by piezoelectric MEMS device in formation
Yin Jen Lee, Yi Qi, Guangya Zhou & Kim Boon Lua
Scientific Reports | (2019) 9:20404