Self-Powered Electronics for Piezoelectric Energy Harvesting Devices

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Amélioration du rendement énergétique des amplificateurs de puissance microondes par conversion et recyclage de l'énergie thermique

Cette étude consiste à concevoir un système de récupération et recyclage de l’énergie thermique dissipée d’un amplificateur de puissance microonde pour améliorer son efficacité énergétique. Le système de récupération est composé par un convertisseur thermoélectrique et un adaptateur de puissance : le convertisseur thermoélectrique est un microgénérateur planaire (μTEG) qui permet de convertir le flux reçu de l’amplificateur en une énergie électrique par effet de Seebeck. L’adaptateur des puissances est composé d’un convertisseur DC/DC piloté par un contrôleur MPPT assurant le couplage de l’énergie électrique récupérée avec l’alimentation de l’amplificateur de puissance. Le rendement du microgénérateur proposé est optimisé à l’aide d’un nouveau modèle thermoélectrique pour les structures planaires synthétisé par une analogie thermique-électrique, dont on a montré que ce rendement dépend essentiellement de la figure de mérite des matériaux utilisés et les dimensions de la topologie du microgénérateur. Une validation de cette approche est faite par l’utilisation des trois thermocouples différents. Les simulations analytiques montrent qu’un μTEG basé sur le couple N-P du Tellurure de Bismuth Bi2Te3 permet d’avoir le rendement le plus élevé (3.5%) devant le couple Ag-Ni (0.016%) et le TAGS75 (0.5%), car il a la figure de mérite du son thermocouple la plus élevée (ZT=0.0066), ce qui le rend le plus convenable pour la conversion de l’énergie thermique. Des simulations multiphysiques avec le logiciel COMSOL® ont été effectuées sur un μTEG basé sur le couple (Ag-Ni) pour voir la distribution de chaleur sur sa topologie, ainsi que l’évolution du gradient effectif en fonction du temps. Ces simulations montrent que notre modèle thermoélectrique (analytique) peut estimer le même comportement du rendement que celui obtenu du la simulation numérique. La dernière partie est consacrée pour le couplage de l’énergie électrique récupérée avec l’amplificateur de puissance qui opère à des températures <100°C. Le système complet est implémenté sur SIMULINK®, la simulation montre que le système d’adaptation ramène la puissance récupérée d’un μTEG (basé sur le couple N-P Bi2Te3) à 24.5 mW au lieu de 7.7 mW générée sans ce dispositif, ce qui correspond à l’amélioration du rendement énergétique de l’amplificateur de puissance RF de 0.75%