Amélioration du rendement énergétique des amplificateurs de puissance microondes par conversion et recyclage de l'énergie thermique

Bdhaifi, El Muzzammel (2019). Amélioration du rendement énergétique des amplificateurs de puissance microondes par conversion et recyclage de l'énergie thermique. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Cette étude consiste à concevoir un système de récupération et recyclage de l’énergie thermique dissipée d’un amplificateur de puissance microonde pour améliorer son efficacité énergétique. Le système de récupération est composé par un convertisseur thermoélectrique et un adaptateur de puissance : le convertisseur thermoélectrique est un microgénérateur planaire (μTEG) qui permet de convertir le flux reçu de l’amplificateur en une énergie électrique par effet de Seebeck. L’adaptateur des puissances est composé d’un convertisseur DC/DC piloté par un contrôleur MPPT assurant le couplage de l’énergie électrique récupérée avec l’alimentation de l’amplificateur de puissance.

Le rendement du microgénérateur proposé est optimisé à l’aide d’un nouveau modèle thermoélectrique pour les structures planaires synthétisé par une analogie thermique-électrique, dont on a montré que ce rendement dépend essentiellement de la figure de mérite des matériaux utilisés et les dimensions de la topologie du microgénérateur. Une validation de cette approche est faite par l’utilisation des trois thermocouples différents. Les simulations analytiques montrent qu’un μTEG basé sur le couple N-P du Tellurure de Bismuth Bi2Te3 permet d’avoir le rendement le plus élevé (3.5%) devant le couple Ag-Ni (0.016%) et le TAGS75 (0.5%), car il a la figure de mérite du son thermocouple la plus élevée (ZT=0.0066), ce qui le rend le plus convenable pour la conversion de l’énergie thermique. Des simulations multiphysiques avec le logiciel COMSOL® ont été effectuées sur un μTEG basé sur le couple (Ag-Ni) pour voir la distribution de chaleur sur sa topologie, ainsi que l’évolution du gradient effectif en fonction du temps. Ces simulations montrent que notre modèle thermoélectrique (analytique) peut estimer le même comportement du rendement que celui obtenu du la simulation numérique.

La dernière partie est consacrée pour le couplage de l’énergie électrique récupérée avec l’amplificateur de puissance qui opère à des températures <100°C. Le système complet est implémenté sur SIMULINK®, la simulation montre que le système d’adaptation ramène la puissance récupérée d’un μTEG (basé sur le couple N-P Bi2Te3) à 24.5 mW au lieu de 7.7 mW générée sans ce dispositif, ce qui correspond à l’amélioration du rendement énergétique de l’amplificateur de puissance RF de 0.75%.

Titre traduit

Improvement of RF power amplifier energetic efficiency by conversion and recycling of thermal energy

Résumé traduit

This study consists in designing of a system for recovering and recycling the thermal energy dissipated from a RF power amplifier to improve its energy efficiency. This system is based on a thermoelectric converter and a power adapter: the thermoelectric converter is a planar microgenerator (μTEG) that converts the heat flux received from the amplifier into electrical energy using the Seebeck effect, the power adapter is composed of a DC/DC converter controlled by an MPPT controller, which couples the recovered electrical power with the power supply of the RF power amplifier.

The efficiency of the proposed microgenerator is optimized using a new thermoelectric model for planar structures established by thermal-electrical analogy, the model shows that this efficiency depends essentially on the figure of merit of the used materials and the dimensions of the microgenerator topology. This approach was applicated for three microgenerators using three different thermocouples. Analytical simulations shows that a μTEG composed of a N-P Bismuth telluride (Bi2Te3) thermocouple provides the highest efficiency (3.5%) than a μTEG composed of Ag-Ni (0.016%) or TAGS75 (0.5%), due to its high figure of merit (ZT = 0.0066), which makes it the most suitable material for converting thermal energy. This approach was compared to a numerical Multiphysic simulation using COMSOL® for a μTEG based on (Ag-Ni) thermocouple, furthermore, to figure out the heat distribution on its topology, as well as the time evolution of the effective gradient. These simulation’s results show that our thermoelectric model can estimate the same behavior of the μTEG’s efficiency as given by the numerical simulations.

The last part of this thesis investigated on the coupling of the recovered electrical power with the amplifier (operating at temperature’s level below <100 ° C) using a power adapter. The complete system was set up on SIMULINK® environment. The simulation results show that this adapter enhances the recovered electrical power from the μTEG (based on the N-P Bi2Te3 thermocouple) to reach 24.5 mW instead of 7.7 mW generated without this device, which leads to the improvement of the RF power amplifier efficiency by 0.75%.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie électrique". Comprend des références bibliographiques (pages 150-156).
Mots-clés libres:	amplificateur de puissance, thermoélectricité, efficacité énergétique, TEG
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Kouki, Ammar B.
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt:	17 juin 2019 20:41
Dernière modification:	17 juin 2019 20:41
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2323

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