Topology optimization of multi directional piezoelectric energy harvesters devoted to bird tracking devices

Optimisation topologique des récupérateurs d'énergie piézoélectrique multidirectionnels dédiés aux dispositifs de suivi des oiseaux Les dispositifs GPS ont un rôle clé dans le suivi des oiseaux migrateurs. Ces dispositifs permettent d’étudier notamment les processus de migration de ces oiseaux, leurs habitats, leurs évolutions ainsi que les menaces qu'ils peuvent rencontrer au cours de leur vie y compris les maladies infectieuses, le changement climatique, etc. Pour éviter la recapture des oiseaux et maintenir le dispositif de suivi en fonction pour toute la durée de vie des oiseaux, une source d’énergie est nécessaire pour convertir l’énergie de l’environnement en énergie électrique. Cela constitue un défi important lorsqu'il s'agit des oiseaux de petite taille où les cellules solaires conventionnelles ne sont pas adaptées en raison de la limitation de masse pouvant être embarquée par les oiseaux. En revanche, les battements des ailes des oiseaux génèrent des vibrations mécaniques qui peuvent être converties en énergie électrique afin d'alimenter les dispositifs de suivi. A cet égard, les matériaux piézoélectriques constituent une alternative prometteuse en raison de leur densité de puissance élevée et de leur simplicité structurelle.L'objectif de cette thèse est de concevoir un récupérateur d’énergie piézoélectrique capable d’exploiter l’énergie d'excitation mécanique provenant de différentes directions tout en respectant les limitations de poids et de volume autorisées pour les dispositifs de suivi des oiseaux. Concevoir un tel récupérateur aux petites échelles en maximisant le rapport entre l’énergie électrique (sortie) et l’énergie mécanique (entrée) est essentiel. Pour cela, la méthode optimisation topologique est exploitée pour miniaturiser ces dispositifs. Dans un premier temps, la méthode est appliquée pour concevoir des récupérateurs 2D monocouches et multicouches. Ensuite, la distribution du matériau et le profil des électrodes sont optimisés simultanément afin de maximiser l'énergie électrique récupérée et d'éviter l'annulation des charges dues à l'uniformisation des électrodes. Par ailleurs, la méthode d'optimisation a été étendue en 3D permettant ainsi d'harmoniser l’énergie récupérée pour différentes directions d'excitation et faciliter la procédure de fabrication. L'efficacité de chaque récupérateur optimisé est démontrée par des simulations numériques sous COMSOL multiphysics et des expérimentations sont conduites pour caractériser chaque prototype. Les résultat obtenus montrent largement la supériorité des récupérateurs optimisés par rapports aux récupérateur conventionnels.