Résumé: La maintenance des structures aéronautiques (fuselage, ailes) est une opération majeure très onéreuse. Elle requiert l'immobilisation des appareils ainsi que le démontage de certaines de leurs parties afin de procéder à leur inspection. Pour permettre une surveillance in situ, des capteurs et actionneurs ont peu à peu été intégrés aux structures aéronautiques. L'utilisation de capteurs et actionneurs sans fil est attirante du fait qu'elle n'implique pas de câblage des noeuds (gain de poids et de coût). Ces noeuds doivent néanmoins être auto-alimentés afin d'être réellement viables_ L'idée est donc de convertir l'énergie mécanique (vibrations) disponible dans les structures d'avions en électricité en utilisant des matériaux piézoélectriques. Les travaux effectués dans ce mémoire permettent d'évaluer le potentiel des récupérateurs d'énergie basés sur les déformations (différents des récupérateurs inertiels) pour alimenter des noeuds sans fil embarqués sur des structures d'avions. Pour cela, des modèles simples sont utilisés pour décrire le comportement dynamique typique des parties de l'avion : une poutre représente l'aile soumise à des charges aérodynamiques et une plaque représente un panneau de fuselage soumis à des champs de pression (bruit de jet et couche limite turbulente). Des matériaux piézoélectriques aussi différents que le PZT monolithique, le composite piézo-fibres et le Polyfluorure de Vinylidêne (PVDF) sont testés dans le but d'évaluer l'influence de leurs caractéristiques (taille, polarisation, capacité, forme des électrodes...) sur la puissance électrique récupérée. Les résultats montrent que pour une excitation aéronautique typique de la poutre (10 Hz et 56 udef), l'énergie produite est de l'ordre de 40 mi pour le PZT monolithique pour une durée de charge de 7 minutes. D'après la littérature, cette énergie est suffisante pour faire des transmissions RF (25 pi). Mais pour d'autres types d'excitations (par exemple le buit de bruit de jet des réacteurs d'avion), il faudra 25 minutes pour produire une énergie de 1 mJ pour le même type de piézoélectrique. L'inconvénient est qu'il faudra attendre de nombreuses secondes avant de charger la batterie du récupérateur d'énergie. Si l'on considère que plusieurs autres organes devront consommer de l'énergie en parallèle, le temps en chaque cycle pourra être de plusieurs minutes. Par conséquent, les récupérateurs d'énergie basés sur les déformations peuvent être utilisés pour alimenter des nœuds sans fil même s'ils ne permettent pas des mesures en temps réel. Cependant, cette approche est une manière simple et pratique de collecter de l'énergie que les autres types de récupérateurs (inertiel, solaire...) puisqu'elle nécessite seulement le collage du matériau piézoélectrique sur la surface vibrante. Enfin, il en ressortira des conseils de dimensionnement pour ce type de récupérateur afin d'en optimiser l'utilisation à partir d'une excitation donnée.||Abstract: Aerospace structural maintenance (fuselage, wings) is a major component of operational costs which requires aircraft to be grounded and some of its parts to be dismantled in order to proceed to inspection. In order to allow in situ monitoring, Structural Health Monitoring (SHM) has been proposed where sensors and actuators are integrated on the structure. To avoid extensive wiring of the nodes, wireless sensors and actuators are attractive but should be self powered to fully benefit from them. One idea is to convert the mechanical energy (vibrations) available all over an aircraft into electricity using piezoelectric materials. This work investigates the potential of strain-based energy harvesters (as opposed to inertial harvesters) to supply wireless nodes on typical aircraft structures. A simple model is used to describe typical dynamic behavior of aircraft components: a beam representing the whole wing subjected to aerodynamic loading and a plate representing a fuselage panel subjected to pressure fields (jet noise and turbulent boundary layer). Various configurations of piezoelectric materials are tested such as bulk PZT, PZT fiber composite and Polyvinylidene Fluoride (PVDF) in order to evaluate the influence of their characteristics (size, polarization, electrodes' shape, capacitance...) on the harvested power. The results show that for a typical aerospace excitation of the beam (10 Hz and 56 mudef), the energy produced is up to 40 mJ with bulk PZT for a 7 minutes loading time. From the literature, this appears sufficient for RF transmission (25 muJ). For other excitation sources (for instance jet noise), the energy produced is up to only 1 mJ with bulk PZT for a 25 minutes loading time. The drawback is that we should wait for several seconds in order to charge the harvester's battery. And, considering that many other components than the RF transceiver will require energy in the meantime, the time laps between two' measures could increase to several minutes. Therefore, strain-based energy harvester could be used for supplying wireless sensor nodes but they would not allow real time measurement. However this approach is a simple and convenient way to scavenge energy compared to other kinds of harvesters (inertial, solar...) since it amounts to bonding a piezoelectric material on a flexible surface. Some design advices are eventually proposed for this kind of harvesters. They could be used for designing a harvester able to produce desired power from a known excitation.[symboles non conformes]
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usherbrooke.ca/oai:savoirs.usherbrooke.ca:11143/6169 |
| Date | January 2012 |
| Creators | Debeaux, Sébastien |
| Contributors | Fréchette, Luc |
| Publisher | Université de Sherbrooke |
| Source Sets | Université de Sherbrooke |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | Mémoire |
| Rights | © Sébastien Debeaux |
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