Pompage d’énergie et récupération d’énergie vibratoire en couplant un puits d’énergie bistable non linéaire et un patch piézoélectrique : Application à l’atténuation et à la surveillance des vibrations dans les éoliennes

Proposition postdoctorale

Dans le contexte de la transition énergétique, les sources d’énergie renouvelables comme les éoliennes sont devenues incontournables. Cependant, les éoliennes peuvent être soumises à des vibrations structurelles néfastes. Le secteur de l’énergie éolienne utilise des rotors de plus en plus grands pour capter plus d’énergie et réduire les coûts. Cela rend les pales beaucoup plus flexibles et donc plus sensibles aux vibrations de grande amplitude provoquées par exemple par des charges aérodynamiques élevées. L’enjeu scientifique, économique et industriel réside donc dans la conception de dispositifs permettant : (i) d’atténuer ces vibrations pour limiter les dommages par fatigue et prévenir les casses provoquées par des vibrations de forte amplitude et (ii) permettre un suivi vibratoire sans fil des pales.

Le contrôle vibratoire est un domaine de recherche très actif en mécanique et en acoustique. Actuellement, trois grands types de technologies sont utilisées dans l’industrie : le contrôle passif par dissipation, le contrôle passif utilisant des absorbeurs dynamiques et le contrôle actif, chacun ayant ses propres avantages et inconvénients. Parmi les dispositifs passifs, les absorbeurs dynamiques non linéaires appelés NES (Nonlinear Energy Sinks) [1] ont démontré leur efficacité comme solutions alternatives au contrôle passif linéaire par TMD (Tuned Mass Dampers) pour atténuer les vibrations libres, les vibrations auto-entretenues et les résonances vibratoires. Contrairement aux TMD, les NES ont la capacité d’absorber l’énergie vibratoire sur une gamme de fréquences par un phénomène connu sous le nom de pompage d’énergie (ou Targeted Energy Transfer) et peuvent donc être définis comme un absorbeur passif à large bande.

Cependant, pour être efficaces, les NES doivent atteindre un seuil énergétique, ce qui les rend généralement inefficaces pour atténuer les vibrations de faible amplitude. Dans le cadre de l’atténuation des vibrations libres et des résonances vibratoires, les NES bistables (BNES) ont montré qu’ils pouvaient être déclenchés à des seuils d’énergie inférieurs à ceux des NES conventionnels [2,3]. Des travaux récents ont également montré qu’il est possible d’obtenir des NES piézoélectriques [4]. D’autres recherches récentes [5] ont montré que le couplage d’un NES à un transducteur piézoélectrique permet de convertir cette énergie vibratoire (normalement dissipée par l’amortissement de l’absorbeur) en énergie électrique et également d’améliorer les performances du NES [6].

Le comportement dynamique d’un système mécanique oscillant couplé à un BNES est extrêmement riche [7]. Il est essentiel d’identifier et de comprendre les mécanismes qui sous-tendent cette dynamique complexe des systèmes académiques afin d’acquérir des connaissances qui permettront l’étude de systèmes plus complexes. Cette dernière sera mise en place en lien avec un démonstrateur expérimental en cours de développement dans notre laboratoire et avec des applications dans le domaine de l’énergie éolienne.

Par ailleurs, l’analyse théorique menée dans la littérature [8,9] pour comprendre ces mécanismes n’est pas encore satisfaisante car les spécificités des BNES (par rapport aux NES classiques) ne sont pas prises en compte. Des recherches fondamentales récentes à LaMé [10] montrent comment les méthodes d’analyse actuelles peuvent être adaptées aux caractéristiques spécifiques d’un BNES pour décrire son comportement de manière adéquate. Cependant, ces résultats en sont encore à leurs balbutiements.

Dans ce contexte, ce travail postdoctoral vise à :

1. Développer ces méthodes analytiques sur des modèles mécaniques académiques incluant un BNES (seul ou en réseau) et en particulier lorsque le système à protéger est soumis à des forces de faible intensité et/ou aléatoires.
2. Intégrer un élément piézoélectrique (PE) dans les modèles mécaniques académiques dans le but de récolter l’énergie vibratoire du NES, puis analyser le modèle mécano-électrique obtenu, en visant un compromis entre atténuation des vibrations et récupération d’énergie.
3. Comparer les résultats théoriques avec des simulations de modèles plus réalistes (obtenus par exemple par la méthode des éléments finis) et avec des résultats expérimentaux.

Les travaux porteront davantage sur des aspects théoriques, numériques ou expérimentaux, selon le profil du candidat.

Les références

[1] AF Vakakis, OV Gendelman, LA Bergman, DM McFarland, G. Kerschen, YS Lee, Transfert d’énergie ciblé non linéaire dans les systèmes mécaniques et structurels, 1ère éd., Springer Dordrecht, 2009. https://doi.org/10.1007 /978-1-4020-9130-8 .

[2] G. Habib, F. Romeo, Le puits d’énergie non linéaire bistable accordé, Nonlinear Dyn. (2016). https://doi.org/10.1007/s11071-017-3444-y .

[3] D. Qiu, T. Li, S. Seguy, M. Paredes, Transfert d’énergie ciblé efficace d’un puits d’énergie non linéaire bistable : application à une conception optimale, Nonlinear Dyn. (2018). https://doi.org/10.1007/s11071-018-4067-7 .

[4] B. Zhou, F. Thouverez, D. Lenoir, Circuits shunt piézoélectriques essentiellement non linéaires appliqués aux disques aubagés mal accordés, J. Sound Vib. 333 (2014) 2520-2542. https://doi.org/10.1016/j.jsv.2013.12.019 .

[5] PVR Raj, B. Santhosh, Étude paramétrique et optimisation d’amortisseurs de vibrations linéaires et non linéaires combinés à un récupérateur d’énergie piézoélectrique, Int. J. Mech. Sci. 152 (2019) 268-279. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2018.12.053 .

[6] J. Zhao, M. Lyu, H. Wang, N. Kacem, Y. Huang, P. Liu, Puits d’énergie non linéaire à actionnement piézoélectrique avec efficacité d’atténuation réglable, J. Appl. Mécanique. Trans. COMME MOI. 87 (2020) 1-9. https://doi.org/10.1115/1.4045108 .

[7] H. Chaabene, Atténuation passive de résonance vibratoire à l’aide d’un absorbeur non linéaire bistable : étude numérique, Laboratoire de mécanique Gabriel Lamé, 2023.

[8] Z. Wu, S. Seguy, M. Paredes, Estimation du temps de pompage d’énergie dans un puits d’énergie non linéaire bistable et validation expérimentale, J. Vib. Acoustique. 144 (2022) 051004. https://doi.org/10.1115/1.4054253 .

[9] GR Franzini, VSF Maciel, GJ Vernizzi, D. Zulli, Suppression passive simultanée et récupération d’énergie du galop à l’aide d’un puits d’énergie non linéaire piézoélectrique bistable, Nonlinear Dyn. (2023). https://doi.org/10.1007/s11071-023-08888-8 .

[10] B. Bergeot, S. Berger, Analyse rapide-lente de l’atténuation passive des oscillations auto-entretenues au moyen d’un puits d’énergie non linéaire bistable, (2023). https://doi.org/10.2139/ssrn.4626481 .