Présentation1 PFE recuperer l'energie.pptx

projet de fin d'étude

1. ETUDE DE SYSTÈME DE RECUPARATION D’ENERGIE ELECTRIQUE PAR EFFET PIEZOELECTRIQUE REALISE Par : WALID MAAROUF Encadré Par : LAHOUCINE BAHMAD ANNEE UNIVERSITAIRE 2024/2025

2. PLAN D’ETUDE Introduction Définition Equation piézoélectriques Capteurs piézoélectriques Conclusion

3. Introduction : Les matériaux piézoélectriques sont des matériaux qui présentent une propriété physique intéressante : la piézoélectricité . Cette propriété permet de convertir une énergie mécanique en énergie électrique et vice versa . Les matériaux piézoélectriques sont utilisés dans de nombreuses applications telles que les capteurs , les actionneurs , les transducteurs , les filtres , les dispositifs de stockage d’énergie , etc

4. Définitions : La piézoélectricité : La piézoélectricité est caractérisée par la capacité du matériau à générer une charge électrique lorsqu’il est soumis à une contrainte mécanique, ou inversement, à se déformer lorsqu’il est soumis à un champ électrique. Cette propriété est utilisé dans de nombreuses applications . La piézoélectricité est un phénomène qui a été découvert en 1880 par les frères Curie , Pierre et Jacques. Ils ont observé que certains cristaux , tels que le quartz , produisaient une charge électrique lorsqu’ils étaient soumis à une pression mécanique. Cette découverte a ouvert la voie à de nombreuses recherches sur les propriétés électromécaniques des matériaux .

5. La piézoélectricité : Propriétés des classes cristallines : 32 classes cristallines 11 centrosymétriques 21 non centrosymétriques 1 non piézoélectrique 20 piézoélectriques 10 pyroélectriques Ferroélectriques Non ferroélectriques

6. Symétrie et piézoélectricité : La piézoélectricité est due à la structure cristalline des matériaux piézoélectriques . Ces matériaux sont constitués de cristaux qui présentent une symétrie particulière , appelée symétrie centrosymétrique . Cette symétrie implique que le matériau ne présente pas de moment dipolaire permanent . Cependant , lorsqu'il est soumis à une contrainte mécanique , les charges électriques se déplacent dans le matériau , créant ainsi un moment dipolaire. Ce moment dipolaire est à l’origine de la piézoélectricité .

7. Si un matériau possède un centre de symétrie , comme représente à la figure 1 , l’application d’une contrainte mécanique ne provoque pas de déplacement des centres de charge positifs et négatifs , également appelés barycentres (G+ et G-) . Par conséquent , aucune polarisation électrique ne se manifeste , même si la contrainte mécanique entraine une déformation du matériau Figure 1 Cristal possédant un centre de symétrie Figure 2 Cristal ne possédant pas un centre de symétrie

8. Effet direct : La conversion d’une énergie électrique . Lorsqu’un matériau piézoélectrique est soumis à une contrainte mécanique , les charges électriques dans la structure cristalline du matériau se déplacent , créant ainsi un champ électrique . Ce champ électrique peut être mesuré à l’aide d’un voltmètre. L’effet direct de piézoélectrique est utilisé dans de nombreuses applications, telles que les capteurs de pression , les microphones et les transducteurs. Effet direct de piézoélectricité

9. Effet inverse : La conversion d’une énergie électrique en énergie mécanique . Lorsqu’un champ électrique est appliqué à un matériau piézoélectrique , les charges électriques dans la structure cristalline du matériau se déplacent , créant ainsi une contrainte mécanique . Cette contrainte mécanique peut être mesurée à l’aide d’un capteur de force . L’effet inverse de piézoélectricité est utilisé dans de nombreuses applications , telles que les actionneurs , les transducteurs et les haut-parleurs . Effet inverse de piézoélectricité

10. Matériaux piézoélectriques : Les matériaux piézoélectriques se distinguent par leur structure et leurs propriétés , influençant leur utilisation dans les applications de collecte d’énergie : Monocristaux : proposent une réponse piézoélectrique précise et stable , mais peuvent être coûteux . Exemples : sel de Rochelle , niobite de lithium (LiNbO3) , cristaux de quartz . Céramiques : présentent une réponse piézoélectrique élevée et sont souvent utilisées pour leur puissance . Exemples : titanate de baryum (BaTiO3) , titanate de plomb- zirconate (PZT) . Polymères : proposent une flexibilité et une légèreté , mais ont généralement une réponse piézoélectrique plus faible que les céramiques .

11. Exemples : fluorure de polyvinylidène (PVDF) Composites ou nano composites polymères : combinaison de polymères avec des nanoparticules piézoélectriques , proposent des propriétés améliorées . Exemples : cellulose (BaTiO3) , polyimides -PZT En termes d’origine , les matériaux piézoélectriques sont classés en : Naturels : trouvés dans la nature , présentant des propriétés piézoélectriques essentielles . Exemples : quartz , sel de Rochelle , topaze , groupe des tourmalines . Synthétiques : produits en laboratoire pour répondre à des besoins spécifiques , offrant souvent des performances supérieures . Exemples : titanate de baryum , titanate de plomb , niobite de lithium , titanate de zirconate de plomb .

12. Le Quartz La Topaze La Tourmalite La Berlinite

13. SiO₂ (Quartz) LiNbO₃ BaTiO₃ Titanate de baryum PVDF PZT T.plomb-zirconate Permittivité relative Ɛ₃₃ 4.5 30 1700 5.5 450 Module d’Young ( Gpa ) 80 2.45 106 1 71 Coefficient de couplage K₃₃ (%) 10 17 52 0.3 60 Masse volumique (Kg/m^3) 2650 4640 5700 1760 7500 Coefficient piézoélectrique d₃₃ (m/V ou C/N)*10^(-12) 2.3 6 190 13.6 140

14. Equations piézoélectricité : Aspect physique : La piézoélectricité génère de l’énergie lorsqu’il y a une déformation physique du matériau , produisant un micro-courant électrique . Selon Becquerel , il existe une relation entre la pression exercée sur le cristal et la tension produite . La tension et la pression exercée sont liées par la relation : U=S*P Avec : U: tension en Volts P : la pression en Pascals S : constante de sensibilité La constante de sensibilité dépend de deux éléments : la constante piézoélectrique et la largeur du cristal : S=k*h

15. Avec : k : constante piézoélectrique . h : largeur du cristal en m . On peut en déduire que : U=k*h*P Les équations de la piézoélectricité peuvent être déduites des potentiels thermodynamiques . Si les effets élastiques , électriques et thermiques sont considérés , l’énergie interne U vérifie : dU = Ѳ d σ +T ij dS ij + E m dD m où σ désigne l'entropie et θ Ia température. 𝑇 ij et 𝑆 ij sont les termes du tenseur des contraintes et du tenseur des déformations. E et D désignent respectivement les vecteurs champ électrique et déplacement ( ou excitation) électrique. Les indices i, j et m varient de 1 a 3. La notation d'Einstein est systématiquement utilisée. La fonction de Gibbs G s’écrit: G=U-T ij S ij -E m D m - σ θ

16. La différentielle de l’équation précédente conduit à : Soit : S ij =-( dG / dT ij );E=θ= cst D m =-( dG / dE m );T=θ= cst σ=-( dG / dθ );T=E= cst Considérant que G est une différentielle totale exacte , les constantes piézoélectriques isothermes sont définies par : d^(θ) mij =( dD m / dT ij ); θ= cst d^(θ) mij =( dS ij / dE m ); θ= cst Sont également identifiées , les constantes d’élasticité isothermes a champ électrique constant : S^(E, θ) ij =( dS ij / dT );E= θ = cst et les rigidités diélectriques isothermes a contrainte constante : ε ^(T, θ) mn =( dD m / dE n );T= θ= cst dG =- S ij dT ij - D m dE m - σ dθ

17. La piézoélectricité est une théorie linéaire qui suppose que les constantes piézoélectriques et les rigidités diélectriques sont constantes. Cette hypothèse est adaptée à la représentation de tous les matériaux piézoélectriques sous déformation et champ électrique modérés. Les équations constitutives de la piézoélectricité s’écrivent en choisissant la contrainte et le champ électrique comme variables indépendantes. Ces équations prennent en compte : Les effets d’une contrainte T et d’un champ électrique E sur les déformations S et le déplacement électrique D, et réciproquement .

18. T S E S= s^E . T + d^t E D= d.T + Ɛ^T .E T= c^E.S – e^t.E D= e.S + Ɛ^S .E D S= s^D.T + g^ t.D E=- g.T + β ^ t .D T= c^D.S – h^ t.D E=- h.S + β ^S .E

19. Nature Notations Unité Dimension Électrique D E Ɛ β Induction électrique Champ électrique Permittivité Inverse de la permittivité C/m2 V/m F/m m/F 3 . 1 3 . 1 3 . 3 3 . 3 Mécanique S T C s Tenseur de déformation Tenseur des contraintes Rigidité Souplesse N/m2 N/m2 m2/N 6 . 1 6 . 1 6 . 6 6 . 6 Piézoélectricité h e g d Constantes piézoélectriques du matériau N/C N/ Vm m2/C m/V 3 . 6 3 . 6 3 . 6 3 . 6

20. Capteurs piézoélectriques : Un capteur piézoélectrique est un dispositif qui utilise le phénomène de la piézoélectricité pour convertir une contrainte mécanique, telle qu’une pression, une force ou une vibration, en un signal électrique mesurable. En d’autres termes, il détecte les changements physiques dans son environnement et les convertit en signaux électriques exploitables. Quelques types : Capteurs de pression : Ces capteurs mesurent la pression en convertissant la force mécanique appliquée sur le matériau piézoélectrique en un signal électrique proportionnel. Ils sont largement utilisés dans les applications comme les applications automobiles et aérospatiales. Capteurs de vibration : Ces capteurs détectent les vibrations ou les oscillations dans leur environnement en convertissant ces mouvements mécaniques en signaux électriques. Ils sont utilisés dans diverses applications comme les applications de moteur.

21. Capteurs de force : Ces capteurs mesurent la force appliquée sur le matériau piézoélectrique en convertissant la déformation mécanique résultante en un signal électrique. Ils sont utilisés dans des applications comme les machines hydrauliques ou pneumatiques. Capteurs d’accélération : Ces capteurs détectent l’accélération linéaire ou angulaire en mesurant les changements de déformation du matériau piézoélectrique. Ils sont utilisés dans les systèmes de navigation inertielle, les dispositifs de sécurité automobile, etc. Capteurs de son : Ces capteurs captent les ondes sonores en convertissant les variations de pression acoustique en signaux électriques. Ils sont utilisés dans les microphones, les systèmes de surveillance acoustique, etc.

22. Capteur de force Capteur de vibration Capteur de pression Capteur de son

23. Conclusion : Les capteurs piézoélectriques convertissent l’énergie mécanique en énergie électrique, trouvant une utilisation dans divers domaines comme la surveillance de la pression et les microphones. Leur large gamme de matériaux, des monocristaux aux polymères, offre une adaptabilité aux besoins spécifiques des applications. Grâce à leur miniaturisation, leur faible coût de leur durabilité, ces capteurs restent des outils indispensables dans l’industrie et la technologie.

24. Et en fin on vous dit MERCI pour Votre attention et j’espère un bonne journée pour Vous