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Étude de la conversion thermoélectrique indirecte : application aux amplificateurs de puissance

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Abdelkefi, Mohamed Amine (2020). Étude de la conversion thermoélectrique indirecte : application aux amplificateurs de puissance. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La gestion thermique des composants électroniques télématiques est un souci majeur. Certains systèmes tels que les amplificateurs de puissance (AP) possèdent des pertes thermiques assez importantes qui nuisent au bon fonctionnement des circuits et pèsent sur la facture énergétique. De ce fait, assurer le refroidissement des circuits et apporter des solutions écoénergétiques est primordial. L’objectif de ce mémoire est de concevoir une structure écoresponsable permettant la récupération de la chaleur perdue des AP tout en maintenant une température de fonctionnement adéquate. Notre système tend à transformer la puissance perdue des AP en électricité en se basant sur les propriétés des matériaux piézoélectriques. Pour ce faire, nous concevons une géométrie adaptée à de faibles niveaux de puissance. Elle permet une conversion thermomécanique nécessaire pour solliciter le matériau piézoélectrique. Ensuite, nous développons un modèle analytique de la structure. Nous implémentons ce modèle sur Matlab, d’une part, pour le dimensionnement du système suite à une étude de matériaux préalable et, d’autre part, pour simuler la réponse du générateur piézoélectrique. Suite à la définition complète du récupérateur, nous réalisons une simulation multiphysique avec COMSOL Multiphysic. Cette simulation vérifie la robustesse du modèle analytique et modélise, avec plus de précision, les interactions entre les phénomènes thermiques, mécaniques et piézoélectriques. Étant donné les ressemblances des résultats des deux méthodes de simulations, nous fabriquons un prototype expérimental et nous analysons les mesures obtenues. Le générateur conçu est une structure innovante pour la récupération de la chaleur. Il permet d’utiliser un matériau piézoélectrique en mode de couplage 33 peu étudié en littérature. De plus, il est adapté pour un fonctionnement en faibles puissances. La réponse du système est prometteuse. Le rendement théorique s’élève à 4.48% pour une puissance dissipée de 3W. En outre, la structure assure également le refroidissement du circuit en maintenant un niveau de température aux alentours de 45°C. Par ailleurs, les mesures expérimentales reproduisent l’allure de la réponse simulée.

Titre traduit

Study of indirect thermoelectric conversion : application to power amplifier

Résumé traduit

Thermal management of telematic electronic components is a major concern. Some systems such as power amplifiers (PA) have fairly large heat losses which affect the proper functioning of the circuits and weigh on the energy bill. Therefore, ensuring the cooling of the circuits and providing energy-efficient solutions is essential. The objective of this thesis is to design an eco-responsible structure allowing PA-heat recovery while maintaining an adequate operating temperature. Our system tends to transform the dissipated power of PA into electricity based on the properties of piezoelectric materials. To do this, we design a geometry suitable for low power levels applications. It produces a thermomechanical energy conversion necessary to stress the piezoelectric material. Then, we develop an analytical model of the structure. We implement this model on Matlab to size the system based on a preliminary material study, and to simulate the response of the piezoelectric generator. Once our recuperator is fully defined, we perform a multiphysics simulation with COMSOL Multiphysic. This simulation verifies the robustness of the analytical model and models the interactions between thermal, mechanical and piezoelectric phenomena, precisely. Given the agreements between the two simulation methods, we build an experimental prototype and analyze the measured results. The designed generator is an innovative structure for heat recovery. It uses a piezoelectric material in the coupled mode 33, little studied in literature. Besides, it is suitable for low-power operation. The system response is promising. The theoretical efficiency is of 4.48% for a dissipated power of 3W. Moreover, the structure ensures the circuit’s cooling by maintaining the temperature level at approximately 45°C. Furthermore, experimental measurements reproduce the appearance of the simulated response.

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, concentration énergies renouvelables et efficacité énergétique". Comprend des références bibliographiques (pages 143-153).
Mots-clés libres: gestion thermique, amplificateur de puissance, écoénergétique, générateur piézoélectrique, refroidissement
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Kouki, Ammar B.
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt: 24 sept. 2020 20:25
Dernière modification: 24 sept. 2020 20:25
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2540

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