Note publique d'information : Les systèmes de récolte d'énergie sont devenus l'une des technologies les plus attrayantes
grâce à leurs rôles de plus en plus importants dans la sauvegarde de l'énergie et
de l'environnement. Une application souhaitée de ces systèmes est leur utilisation
pour alimenter les systèmes de surveillance de la pression des pneus (TPMS). En effet,
une grande quantité d'énergie cinétique due à la rotation des roues de voitures peut
être exploitée par les récupérateurs d'énergie. Néanmoins, les forces centrifuges
induites présentent un inconvénient majeur qui limite la récupération d'énergie.Dans
cette thèse, un récupérateur d’énergie cinétique est conçu, modélisé et fabriqué.
Différents designs de systèmes à pendules multiples, connus pour être facilement instables,
sont modélisés et mis à l'essai. L'énergie récoltée est également comparée entre différentes
conceptions pour les réponses stables et transitoires.Principalement, deux nouveaux
défis sont traités dans le cadre de cette thèse. Premièrement, le fait que le pendule
soit lié à la roue induit une excitation rotative particulièrement complexe. Deuxièmement,
lorsque nous cherchons à maximiser l'énergie récoltée, notre intérêt se porte non
seulement sur la réponse en régime permanent, mais également sur la réponse transitoire.Un
banc d'essai est également installé pour reproduire le comportement du pendule monté
sur un disque rotatif. La solution pour le comportement en régime permanent de trois
conceptions de pendules, générées à une vitesse angulaire pour différentes vitesses
de rotation, est testée expérimentalement. Trois régimes différents existent: oscillations
autour de l'axe vertical, oscillations apériodiques et oscillations autour de l'axe
radial. Le régime apériodique donne une meilleure quantité d'énergie pour chaque pendule.
Ensuite, une fonction d'entrée demi-sinusoïdale est utilisée pour enregistrer l'énergie
en régime transitoire générée pour différentes positions initiales du disque pour
chaque pendule.Une analyse analytique est proposée pour analyser la réponse en régime
permanent à des vitesses de rotation constantes, car elle représente une partie non
négligeable du régime de mouvement des roues. La méthode des échelles multiples est
appliquée aux équations de mouvement pour le pendule de Rott. Ainsi les conditions
de résonance sont retrouvées pour maximiser l'énergie générée par le récolteur en
mode permanent.
Note publique d'information : Energy Harvesters (EH) became one of the most attractive technologies in science and
engineering thanks to its significant role in saving energy. One famous application
of this system is its use to power Tire Pressure Monitoring Systems (TPMS). Depsite
there is a huge quantity of kinetic energy in rotating car's wheels, the fact that
rotations of the wheel induce a high level of centrifugal forces presents a major
drawback that deprive the harvesting of this type of energy.In this thesis, a kinetic
energy harvester is designed, modeled and fabricated. Different designs of multi-pendulum
system which are known to be easily unstable are modeled and putted under experiment.
The harvested energy is also compared between different designs for the steady-state
and the transient responses.Mainly, two new researches challenges are present in this
case of study comparing to exicting studies. First, the fact that the pendulum is
implemented into the car's wheel induce a rotative excitation which is composition
of a horizontal and a vertical excitations at the same time. Second, as we look for
maximizing the harvested energy, our interest is presented not only to steady-state
response but also to transient response.The proof of concept on the use of pendulum-based
energy harvester rotating wheels is tackled, considering a simple concentrated mass
designs to analyze the motion and the possibility to harvest energy from rotating
wheels with variable speeds. The equations of motion of four designs considered in
transient behvior, are presented and derived. The time response of the angular position
and angular velocity were calculated for different damping coefficients and initial
conditions. The RMS value of the angular velocity used to estimate the harvested energy
depends on the initial conditions.A test bench is also setted up to reproduce the
behavior of the pendulum mounted into a rotating disk. The solution for the steady-state
behavior of three pendulum designs, generated at angular velocity for different rotation
speeds, is experimentally tested. Three different regimes exists: oscillations around
the vertical axis, aperiodic oscillations and oscillations around the radial axis.
The aperiodic regime gives better output voltage for each pendulum. Then, a half-sine
input function is used to record the transient output voltage generated for different
initial positions of the disk for each pendulum.An analytical analysis is proposed
to analyze the steady-state response under constant rotation speeds, because it represents
a non negligible part of the regime of motion of the wheels. The method of multiple
scales is applied for the equations of motion governing the motion of the Rott's pendulum
when small oscillations are assumed around the radial positions. For the two proposed
sets of geometrical dimensions, parametric resonance of the first and second modes
while two to one internal resonance is satisfied can be achieved. In both cases, the
analytically derived resonance conditions, shows that large amplitude of motions can
be achieved if a critical value of the rotation speed is reached. However, if the
speed is further increase the amplitude is again highly reduced. In fact, the treated
case is specific to the TPMS case because the rotation speed in this case is at the
same time the frequency excitation force and the amplitude of the stabilizing force
represented here by the centrifugal force.
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