FR3092950A1

FR3092950A1 - Générateur triboélectrique

Info

Publication number: FR3092950A1
Application number: FR1901631A
Authority: FR
Inventors: Sylvain Blayac; Aravind Narain RAVICHANDRAN; Marc RAMUZ
Original assignee: Association pour la Recherche et le Developpement des Methodes et Processus Industriels; Telecom ParisTech; Institut Mines Telecom IMT
Current assignee: Association pour la Recherche et le Developpement des Methodes et Processus Industriels; Telecom ParisTech; Institut Mines Telecom IMT
Priority date: 2019-02-19
Filing date: 2019-02-19
Publication date: 2020-08-21
Anticipated expiration: 2039-02-19
Also published as: FR3092950B1

Abstract

Générateur triboélectrique Générateur triboélectrique (1), comportant au moins des premier (10 ; 60) et deuxième (20 ; 70) éléments triboélectriques mobiles au moins partiellement l’un par rapport à l’autre, le générateur comportant au moins des première (11) et deuxième (21) électrodes entre lesquelles un courant électrique peut être généré lorsqu’un état de charge des électrodes varie du fait d’un déplacement relatif des éléments, ce générateur étant caractérisé par le fait que l’un (20 ; 70) au moins desdits éléments triboélectriques comporte au moins une couche de stockage (23) isolée desdites électrodes (11,21) et mobile relativement à l’une au moins desdites électrodes lors du déplacement relatif des éléments triboélectriques, cette couche de stockage pouvant accumuler des charges lors du fonctionnement du générateur, cette couche de stockage (23) étant disposée au sein du générateur de manière à exercer une influence électrostatique sur au moins l’une desdites électrodes (11 ; 11, 21) lors du déplacement relatif des éléments. Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Générateur triboélectrique

La présente invention concerne un générateur triboélectrique, encore parfois appelé « nano-générateur triboélectrique ».

Avec la croissance rapide de l’électronique nomade, des sources d'énergies mobiles et durables deviennent indispensables. En plus de l'utilisation de batteries, la récupération de l'énergie provenant de l’environnement ambiant peut être utilisée pour alimenter ces dispositifs. Parmi toutes les sources d'énergie, l’énergie mécanique universellement disponible est devenue une solution prometteuse. Les techniques traditionnelles de récupération d'énergie mécanique ont longtemps été concentrées sur des procédés de conversion électromagnétique, électrostatique ou piézoélectriques. Toutefois, ces techniques ne permettent pas toujours d’atteindre la densité surfacique de génération d’énergie recherchée, compte-tenu du volume disponible.

Il existe donc un besoin pour augmenter la densité surfacique de puissance électrique produite de manière à pouvoir rendre les objets autonomes.

Il a été proposé d’utiliser des nano-générateurs triboélectriques comme source d’énergie pour des objets électroniques autonomes.

Les nano-générateurs triboélectriques sont des dispositifs permettant de convertir la puissance d’un mouvement mécanique périodique et/ou un mouvement de friction, en puissance électrique au travers de deux phénomènes : la triboélectrification et l’induction électrostatique.

Ces générateurs reposent généralement sur l’emploi d’au moins un métal et d’au moins un isolant qui peuvent échanger des charges entre eux. La densité surfacique de charge reste relativement limitée dans l’art antérieur par la nature du matériau isolant, qui possède une densité d’états intrinsèquement faible.

La modification de la rugosité de surface ou l’ajout de nanoparticules ont pu être proposés pour augmenter la densité de charge de surface.

Des exemples de générateurs triboélectriques sont décrits dans les publications US 2016/0344308 A1, EP 3 278 443 B1, US 9 595 894 B2, US 9 571 009 B2 ou US 2013/0049531.

Il demeure un besoin pour augmenter la densité de puissance électrique des générateurs triboélectriques et l’invention vise notamment à y répondre.

L’invention y parvient grâce à un générateur triboélectrique, comportant au moins des premier et deuxième éléments triboélectriques mobiles au moins partiellement l’un par rapport à l’autre, le générateur comportant au moins des première et deuxième électrodes, entre lesquelles un courant électrique peut être généré lorsqu’un état de charge des électrodes varie du fait d’un déplacement relatif des éléments, ce générateur étant caractérisé par le fait que l’un au moins desdits éléments triboélectriques comporte au moins une couche de stockage isolée desdites électrodes et mobile relativement à l’une au moins desdites électrodes lors du déplacement relatif des éléments triboélectriques, cette couche de stockage pouvant accumuler des charges lors du fonctionnement du générateur, et étant disposée au sein du générateur de manière à exercer une influence électrostatique sur l’une au moins desdites électrodes lors du déplacement relatif des éléments.

La couche de stockage est conductrice et de préférence recouverte par une couche isolante, et les charges de surface peuvent gagner la couche de stockage par un phénomène de conduction à travers l’isolant.

Les électrodes peuvent être portées par les deux éléments triboélectriques respectivement. Dans ce cas, l’un des éléments triboélectriques porte une électrode et la couche de stockage, et l’autre élément triboélectrique porte l’autre électrode. En variante, les électrodes appartiennent à un même élément triboélectrique, auquel cas elles sont de préférence interdigitées. Notamment dans ce dernier cas, le mouvement des éléments triboélectriques peut être un mouvement de frottement d’un élément relativement à l’autre, par exemple dans une direction perpendiculaire aux doigts des électrodes interdigitées.

Le cas échéant, une ou plusieurs électrodes additionnelles sont portées pas l’un et/ou l’autre des éléments triboélectriques, afin par exemple d’exercer un meilleur contrôle sur le champ électrique.

Le courant généré peut parcourir tout type de circuit, afin par exemple d’alimenter un objet autonome. L’invention permet d’augmenter la charge maximale de l’un au moins des éléments triboélectriques, car la densité d’états de la couche de stockage est de plusieurs ordres de grandeurs supérieure à celle d’un isolant. Le générateur peut donc stocker et cumuler les charges générées par triboélectrification dans la couche de stockage.

L’invention permet ainsi d’une part d’augmenter la performance intrinsèque d’un générateur triboélectrique et d’apporter des solutions aux limitations rencontrées pour les générateurs à électrets connus, notamment quant à la durée de vie des charges accumulées.

La couche de stockage n’est pas reliée électriquement aux électrodes.

De préférence, la couche de stockage s’étend parallèlement à une interface entre lesdits éléments. Cette interface peut être plane et parallèle à un plan selon lequel les éléments s’étendent. L’interface peut encore avoir une forme autre, par exemple cylindrique lorsque les éléments sont cylindriques et coaxiaux.

Le déplacement des éléments l’un par rapport à l’autre peut se faire de façon cyclique en rapprochement jusqu’à contact puis en éloignement. Ce déplacement peut se faire dans une direction perpendiculaire à un plan selon lequel s’étendent les éléments triboélectriques.

Le déplacement peut être un mouvement global d’un élément par rapport à l’autre, et ce mouvement peut se faire de façon uniforme pour tout l’élément. En variante, le mouvement est seulement partiel et/ou non uniforme, et s’accompagne d’une déformation de l’un au moins des éléments.

Ainsi, le déplacement peut être une déformation du générateur qui induit une modification de la distance, au moins localement, entre certains éléments constitutifs de celui-ci, cette modification de la distance induisant une modification de l’état de charge des électrodes.

Le déplacement relatif entre les éléments triboélectriques peut encore être un déplacement alors que les éléments restent en contact. Dans ce cas notamment, on peut réaliser les éléments avec des électrodes interdigitées, de telle sorte que le déplacement relatif des éléments induise une variation périodique de la distance entre les électrodes et/ou entre les électrodes et les zones d’accumulation des charges au sein de la couche de stockage. De préférence, la période spatiale des doigts d’une électrode correspond à celle des îlots conducteurs, lorsque de tels îlots sont présents.

Le générateur peut comporter un élément de rappel élastique pour ramener les éléments dans une position prédéfinie lorsque cesse le stimulus mécanique. On peut encore réaliser l’un au moins des éléments de telle sorte qu’il se déforme de manière élastique lors du fonctionnement du générateur et assure de par son élasticité propre le retour du générateur dans une configuration initiale lorsque la sollicitation mécanique externe cesse.

La course en déplacement de l’un des éléments triboélectriques par rapport à l’autre est par exemple comprise entre 1 et 10 mm, pouvant dépendre de la largeur des électrodes. Le déplacement est de préférence inférieur à la largeur de l’électrode, ce qui permet d’obtenir une bonne efficacité.

L’un au moins des éléments triboélectriques peut se déformer lors du fonctionnement du générateur. Le cas échéant, les deux éléments se déforment lors du fonctionnement du générateur. En variante, aucun des éléments ne se déforme de manière visible lors du fonctionnement du générateur.

Le cas échéant, des formes complémentaires peuvent être réalisées sur les faces des éléments triboélectriques venant en contact pour augmenter la surface de contact.

Les éléments triboélectriques peuvent être guidés dans leur déplacement par une structure de guidage annexe. En variante, les éléments sont agencés de telle sorte que l’un des éléments guide l’autre dans son déplacement.

Les électrodes du générateur peuvent être connectées de façon permanente à un circuit électronique ou autre charge utilisant l’énergie produite par le générateur. En variante, l’une au moins des électrodes du générateur ne vient en contact avec une contre-électrode que durant une certaine phase du fonctionnement du générateur, par exemple lorsque l’un des éléments triboélectriques s’est éloigné d’une distance prédéfinie de l’autre élément.

De préférence, la couche de stockage est discontinue dans au moins une direction. En particulier, il s’avère avantageux de réaliser la couche de stockage avec des zones discrètes d’accumulation de charges et en particulier sous la forme d’un réseau d’îlots conducteurs. Ces îlots peuvent constituer des inclusions noyées dans une structure isolante, qui augmentent la charge maximale de l’élément triboélectrique. Chaque îlot peut présenter un contour polygonal régulier ou non, ou non polygonal, par exemple circulaire. Chaque îlot peut présenter une forme allongée, orientée parallèlement aux doigts des électrodes lorsque ces dernières sont interdigitées. Le fait que la couche de stockage soit discontinue, notamment sous la forme d’îlots, réduit le risque de pertes de charges si l’un des îlots est défaillant, car mal isolé électriquement par exemple. Ainsi, la fiabilité du générateur est améliorée.

De préférence, ces îlots sont uniformément distribués parallèlement à l’interface entre lesdits éléments. En variante, la distribution des îlots est non uniforme.

La densité d’îlots va par exemple de 4 à 200 par cm². La surface individuelle d’un îlot va par exemple de 0,25 à 6 mm².

De préférence, les îlots sont plans. En variante, les îlots sont réalisés avec une forme non plane, par exemple sous la forme de bossages convexes vers l’interface entre les éléments triboélectriques. Cela peut par exemple permettre de diminuer la distance entre chaque îlot et l’interface, et ainsi de faciliter la captation de charges par l’îlot.

Des îlots non plans sont par exemple réalisés par embossage d’un film métallisé ou par métallisation d’une surface présentant des microreliefs, réalisée par exemple par embossage.

La couche de stockage est réalisée dans un matériau qui présente une densité d’états supérieure d’un ordre de grandeur au moins à celle d’un isolant au contact de cette couche lors du fonctionnement du générateur.

De préférence la couche de stockage conductrice est formée par une couche métallique d’un dépôt de métal. Toutefois, la couche de stockage peut encore être formée par des grains d’un matériau conducteur électrique, de préférence un métal, s’étendant selon une strate au sein d’une matrice isolante. La couche de stockage est alors formée par exemple par dépôt d’une encre conductrice, comportant des pigments métalliques ou d’un semi-conducteur dopé, de façon continue ou sous forme de motifs, notamment d’une trame. La couche de stockage peut encore être formée par un matériau présentant une forte densité d’états, tel qu’un semi-conducteur dopé.

La couche de stockage doit de préférence ses propriétés de conduction électrique à l’utilisation d’un métal, par exemple de l’or, de l’aluminium, du cuivre ou du nickel, ou l’un de leurs alliages. Toutefois, la couche de stockage peut devoir ses propriétés de conduction électrique à l’utilisation d’un composé conducteur électrique non métallique, par exemple du carbone ou un polymère conducteur, ou un semi-conducteur dopé.

De préférence, la couche de stockage est recouverte par une couche isolante, et l’épaisseur de cette dernière est de préférence inférieure ou égale à 10 microns, mieux à 5 microns, encore mieux à 1 micron.

L’épaisseur de la couche isolante qui sépare la couche de stockage de la ou les électrodes de l’élément opposé, est de préférence suffisamment faible pour permettre aux charges de surface de gagner la couche de stockage, et suffisamment grande pour éviter une fuite des charges lors du contact avec la ou les électrodes, de cet élément triboélectrique. Ainsi, de préférence l’épaisseur d’isolant au-dessus de la couche de stockage est choisie pour atteindre un optimum de puissance délivrée au cours du fonctionnement du générateur. La couche d’isolant au-dessus de la couche de stockage est avantageusement dépourvue de toute particule ou nanoparticule électriquement conductrice.

De préférence, la couche de stockage s’étend au moins partiellement, au moins lorsque les premier et deuxième éléments triboélectriques sont en contact, entre des première et deuxième couches isolantes. Ces première et deuxième couches isolantes sont de préférence formées de matériaux diélectriques différents et/ou présentent des épaisseurs différentes.

Les première et deuxième couches isolantes peuvent avoir des épaisseurs différentes, avec de préférence la couche isolante qui s’étend entre la couche de stockage et l’électrode de l’élément triboélectrique autre que celui qui porte la couche de stockage qui est d’une épaisseur moindre que celle qui s’étend entre la couche de stockage et une électrode de l’élément triboélectrique qui porte la couche de stockage.

Les première et deuxième couches isolantes peuvent appartenir au même élément triboélectrique.

Le générateur peut comporter une couche d’un isolant recouvrant la couche de stockage, par exemple du parylène. D’autres matériaux isolants peuvent être utilisés, notamment choisis parmi les matières polymères, en particulier les matières polymères thermoplastiques, en particulier ceux ayant la propension à gagner des électrons par contact comme le PDMS, le PTFE, le FEP, le PVC ou le polyimide.

La couche de stockage est de préférence formée d’un métal. La couche de stockage est par exemple réalisée par gravure d’un film métallisé. En variante, elle est formée par métallisation sous vide, ou par dépôt d’une encre conductrice ou lamination ou coextrusion d’un film conducteur ou chargé de particules conductrices. La couche de stockage peut ainsi être autre qu’une dispersion, notamment homogène dans l’épaisseur d’une matrice isolante, de particules ou de nanoparticules conductrices.

Le mouvement entre le premier et le deuxième élément triboélectrique peut être un mouvement de mise en contact et d’éloignement des deux éléments triboélectriques, notamment dans une direction normale mais d’autres mouvements sont possibles, comme mentionné plus haut.

L’invention a encore pour objet un procédé de génération d’électricité utilisant un générateur triboélectrique selon l’invention, tel que défini ci-dessus, dans lequel on produit de l’électricité en transformant un mouvement des éléments triboélectriques l’un par rapport à l’autre en un courant électrique. La charge initialement présente dans la couche de stockage peut être nulle. Au cours du fonctionnement, une charge s’accumule, notamment négative, et cette charge demeure même après l’arrêt du générateur alors qu’aucun courant ne circule plus dans une charge reliée aux électrodes du générateur. Cette charge dans la couche de stockage accroît l’influence électrostatique exercée par l’un des éléments sur l’autre lors de la reprise du fonctionnement du générateur.

L’invention a encore pour objet l’utilisation d’un générateur selon l’invention comme capteur d’au moins une grandeur physique, dans lequel on mesure une tension et/ou courant produit par le générateur en réponse à un stimulus physique. Ce dernier peut être un stimulus mécanique tel qu’un déplacement relatif des deux éléments triboélectriques. Le stimulus peut également être optique et/ou thermique s’il induit l’apparition d’une charge dans la couche de stockage. Le mouvement des éléments triboélectriques assure ensuite la conversion de l’énergie mécanique en énergie électrique, et comme l’énergie produite dépend de l’état de charge de la couche de stockage, on peut quantifier ainsi l’intensité du stimulus.

est une vue en coupe schématique et partielle d’un générateur conforme à un exemple de mise en œuvre de l’invention, les éléments triboélectriques étant représentés éloignés l’un de l’autre,

représente de façon schématique et en perspective, avec arrachement partiel, l’un des éléments triboélectriques,

illustre le fonctionnement du générateur,

représente de façon schématique en coupe un élément triboélectrique servant de comparatif,

est une vue analogue à la figure 4A d’un autre élément triboélectrique servant de comparatif,

illustre la tension en circuit ouvert pour un générateur selon l’invention, tel qu’illustré à la figure 1, et des générateurs non conformes à l’invention utilisant les éléments triboélectriques des figures 4A et 4B,

illustre la tension en circuit ouvert d’un générateur conforme à l’invention, en fonctionnement, au cours du temps,

illustre la tension en circuit ouvert d’un générateur conforme à l’invention en fonction de l’épaisseur de la couche d’isolant recouvrant la couche de stockage.

est une vue analogue à la figure 1 d’une variante de réalisation,

est une coupe schématique d’une variante de générateur triboélectrique,

est une vue de face des électrodes interdigitées du générateur de la figure 9,

est une coupe analogue à la figure 9, après déplacement relatif de ses éléments constitutifs,

est une vue analogue à la figure 10, illustrant le changement de polarité du courant circulant entre les électrodes lors du déplacement relatif des éléments.

Sur les figures, les proportions relatives réelles n’ont pas toujours été respectées dans un souci de clarté.

Description détaillée

Le générateur triboélectrique 1 représenté à la figure 1 comporte un premier élément triboélectrique 10 et un deuxième élément triboélectrique 20 mobile relativement au premier, par exemple selon des cycles répétés de rapprochement jusqu’à venue en contact puis d’éloignement dans la direction M.

Dans l’exemple illustré, le premier élément triboélectrique 10 comporte une électrode 11, par exemple en cuivre, qui définit la surface de contact 12 avec le deuxième élément triboélectrique 20. Le premier élément triboélectrique 10 peut comporter au moins une autre couche (non représentée) servant par exemple de support mécanique à l’électrode 11, du côté de l’électrode 11 qui est à l’opposé du deuxième élément 20.

Le deuxième élément 20 présente une structure multicouche formée dans l’exemple considéré d’une électrode 21, d’une couche isolante de support 22, d’une couche de stockage conductrice 23 et d’une couche isolante 24, définissant la surface de contact 25 avec le premier élément 10.

L’électrode 21 est par exemple en métal, notamment en cuivre, la couche isolante 22 en PTFE, la couche de stockage en or et la couche isolante 24 en parylène. D’autres matériaux sont bien entendu utilisables.

De préférence, comme illustré à la figure 2, la couche de stockage est discontinue et se présente sous la forme d’îlots 30 régulièrement disposés dans les deux directions du plan, ces îlots étant par exemple de forme carrée.

L’écart entre deux îlots 30 adjacents correspond par exemple à la largeur d’un îlot.

L’épaisseur de la couche isolante 22, qui sert de support mécanique, est par exemple de l’ordre de plusieurs dizaines de microns. Cette couche 22 permet d’isoler la couche de stockage 23 de l’électrode 21.

Le matériau de la couche isolante de surface 24 est choisi de manière à permettre la création d’une charge par triboélectrification lors du contact avec l’électrode 11 du premier élément 10. Son épaisseurdau-dessus de la couche de stockage 23 est choisie pour permettre la charge des îlots par un mécanisme de conduction à travers l’isolant. La couche isolante 24 est par exemple réalisée en parylène. Son épaisseur d est de préférence comprise entre 1 et 10 microns, voire inférieure au micromètre.

On va maintenant décrire en référence aux figures 3A à 3C le fonctionnement du générateur 1.

On suppose les électrodes 11 et 21 reliées à une charge L.

L’électrode 11 est mise en mouvement jusqu’au contact avec la couche isolante de surface 24, comme illustré à la figure 3A. Au contact, la triboélectrification induit l’apparition de charges distribuées au voisinage de l’interface comme illustré à la figure 3B. Des champs électriques E₁et E₂se développent de part et d’autre des ilots 30. Lors de la séparation, le champ électrique E₂augmente par rapport à E₁et constitue la force motrice d’un courant de charge à travers la couche isolante 24. La charge initialement en surface de l’élément 20 est ainsi stockée dans les îlots 30, et s’y maintient pendant une durée relativement longue. A chaque contact entre les éléments triboélectriques, un flux supplémentaire de charge alimente ainsi les ilots 30, jusqu’à saturation. Les mouvements des éléments triboélectriques 10 et 20 au cours du fonctionnement du générateur entraînent un équilibrage des charges libres dans les électrodes 11 et 21 et la circulation d’un courant dans la charge L.

La couche isolante 24 qui recouvre les îlots 30 peut avoir une surface extérieure 25 plane, comme illustré à la figure 1.

En variante, la surface extérieure 25 présente un relief de surface, par exemple une rugosité aléatoire ou mieux des microreliefs 37 positionnés de façon prédéfinie par rapport aux îlots 30, comme illustré à la figure 8.

Les microreliefs 37 sont par exemple formés par des excroissances localisées au-dessus d’îlots respectifs, et peut permettre de générer davantage de charges par contact avec l’autre élément triboélectrique en permettant une plus grande déformation locale du matériau de la couche isolante 24 et/ou un contact plus intime lors du rapprochement des deux éléments triboélectriques. Sur la figure 8, les îlots sont représentés plans, mais en variante ceux-ci pourraient avantageusement suivre sensiblement le profil de la surface extérieure des microreliefs 37, et présenter par exemple une forme conique ou pyramidale.

De préférence, la couche de stockage 23 est interne à l’élément triboélectrique qui la porte, en étant recouverte par au moins une couche isolante 24.

On peut associer plusieurs couples d’éléments triboélectriques 10 et 20 électriquement en série ou en parallèle pour augmenter la tension et/ou le courant produit. On peut notamment empiler les éléments de telle sorte qu’une même sollicitation mécanique s’applique à tous ces éléments. Un exemple d’agencement de plusieurs éléments triboélectriques est décrit dans la demande US 2013/0049531.

On va décrire en se référant aux figures 9 à 12 une variante de générateur dans laquelle les électrodes 11 et 21 sont portées par un premier élément 60 et la couche de stockage 23 par un deuxième élément 70 mobile relativement au premier.

Les électrodes 11 et 21 sont interdigitées, et comportent des doigts parallèles respectifs 11a et 21a disposés avec un pas régulier k.

Chaque ensemble de doigts 11a ou 21a comporte un collecteur de courant 11b ou 21b.

Les électrodes 11 et 21 sont portées dans l’exemple illustré par un isolant 61.

La couche de stockage 23 comporte des îlots métalliques 30 recouverts par une couche isolante 24 qui peut présenter, comme illustré, des manques 24a s’étendant entre les îlots 30. La couche isolante 24 est portée par une couche isolante 22 d’un matériau différent, elle-même portée par tout support 71 adapté. Le cas échéant, la couche isolante 24 est autoporteuse ou portée directement par le support 71.

Le pas avec lequel les îlots 30 sont disposés sur l’élément 70 est de préférence le même que celui avec lequel les électrodes 11 ou 21 sont disposées sur l’élément 60.

Lors du fonctionnement du générateur 1, les îlots 30 viennent successivement en regard des doigts 11a et 11b des électrodes 11a et 11b, et les charges présentes sur ces îlots induisent des variations de charges libres sur les électrodes qui s’équilibrent via un courant entre celles-ci, comme illustré sur les figures 11 et 13.

Le mouvement de l’élément 60 relativement à l’élément 70 s’effectue dans une direction perpendiculaire aux doigts, de manière alternative, sur une distance qui est par exemple un multiple du pas k.

Le cas échéant, les électrodes 11 et 21 sont disposées sur un support cylindrique de l’élément 60, et l’élément 70 est coaxial à celui-ci et peut tourner dans un même sens de rotation ou dans des sens alternativement opposés.

On peut relier au générateur selon l’invention tout circuit électronique permettant d’accumuler de l’énergie et/ou d’adapter le niveau de tension et/ou de courant à l’application.

L’invention peut permettre de produire une puissance avec un niveau de densité surfacique de puissance supérieur à 1mW.cm^-2.

Essais comparatifs

Un générateur selon l’invention dont la structure correspond aux figures 1 et 2 a été réalisé et testé en laboratoire afin de vérifier et de montrer l’existence d’un phénomène d’accumulation de charges dans les ilots 30.

Pour ce faire, deux types d’échantillons comparatifs tels qu’illustrés aux figures 4A et 4B ont été réalisés et testés.

Dans le cas de l’échantillon correspondant à la figure 4A, l’élément triboélectrique ne comporte que l’isolant inférieur 22 en plus de l’électrode 21 et dans le cas de la figure 4B, l’élément comporte en outre la couche 24.

Le générateur selon l’invention et les deux générateurs servant de comparaison ont été embarqués sur un banc de test et testés en mode contact-séparation.

Les résultats sont reportés sur la figure 5, où l’on a indiqué les tensions en circuit ouvert mesurées aux bornes des électrodes au cours du temps pour plusieurs dizaines de cycles contact-séparation.

L’échantillon correspondant à la figure 4A présente (courbe I) une tension en circuit ouvert comprise entre -20 et +25V, ce niveau est constant au cours du temps. Les maxima de tension constatés indiquent que la charge fixe reste constante et est régénérée à chaque cycle.

L’échantillon correspondant à la figure 4B présente (courbe II) une croissance régulière des niveaux de tension qui atteignent –40 et +80V. Cette évolution est le signe d’une accumulation de charge de surface sur l’isolant de surface constitué par la couche de parylène.

La croissance des potentiels est beaucoup plus forte dans le cas du générateur selon l’invention (courbe III) et la tension de sortie atteint la valeur maximale de l’appareil de mesure, soit 200V, ce qui est le signe d’une charge cumulative au sein des îlots.

Au cours d’un autre essai, une opération de cyclage a été réalisée afin d’évaluer la capacité de rétention des charges des ilots. Plusieurs séries de cycles contact-séparation entrecoupées de temps de repos ont été réalisées.

Les résultats représentés à la figure 6 permettent de conclure que la charge est bien retenue dans les îlots pendant le temps repos, la valeur maximale de la tension croissant régulièrement malgré les arrêts intermédiaires. Les ilots présentent donc une rétention de la charge visible pendant la durée du temps d’arrêt.

Afin de vérifier le mode de charge des îlots, un plan d’expériences sur l’épaisseur de l’isolant de surface a été mené.

Des échantillons conformes à l’invention ont été réalisés avec une épaisseur de couche isolante de parylène-C comprise entre 0,5 et 10µm. Les résultats sont reportés sur la figure 7. On peut voir que la tension maximale, et donc la charge stockée, sont directement corrélées à l’épaisseur d’isolant qui recouvre les îlots. Ceci confirme le mode de charge des îlots par des courants au travers de l’isolant de surface.

Enfin, afin de valider l’impact de l’invention sur les performances du générateur, ce dernier a été embarqué au sein d’une éolienne triboélectrique constituée d’un tube Venturi dans lequel un flux d’air est injecté. En sortie du tube Venturi deux électrodes sont disposées sur les flancs. Le générateur est inséré dans le tube Venturi et maintenu sur un axe de rotation placé à l’entrée. Il flotte comme un drapeau et vient frapper alternativement les deux électrodes, induisant des charges libres alternativement sur l’une et l’autre. La structure est chargée par l’impédance d’entrée d’une sonde d’oscilloscope de valeur 10MOhms. Ces essais montrent que le générateur selon l’invention produit la plus forte tension. L’ajout des inclusions métalliques que constituent les îlots induit une tension efficace de générateur de 3 à 4 fois supérieure par rapport à une structure constituée des isolants seuls.

L’invention trouve à s’appliquer dans le cadre de la génération d’énergie électrique à partir d’énergie mécanique et plus généralement dans tous les cas où le stockage de charges dans la couche de stockage apporte une valeur ajoutée. L’énergie mécanique qui est convertie en électricité grâce à l’invention peut être d’origine éolienne, ou liée à une activité humaine, par exemple un déplacement de piétons sur un sol ou un déplacement de véhicules sur une chaussée, ou liée à des vibrations mécaniques dans des systèmes industriels.

Le générateur selon l’invention peut équiper un sol, une chaussée, un outil, un vêtement, un téléphone, un transpondeur, un capteur, …, cette liste n’étant pas exhaustive.

L’invention trouve également à s’appliquer dans le domaine des capteurs, pour mesurer un stimulus physique. Ce dernier peut être un stimulus mécanique, induisant un mouvement de l’un des éléments triboélectriques par rapport à l’autre. Dans ce cas, en mesurant la tension ou le courant produit par ce stimulus, on peut remonter à l’intensité de celui-ci. Le stimulus peut encore être un stimulus physique autre qu’un stimulus mécanique, qui produit une accumulation de charges dans la couche de stockage, par exemple un rayonnement lumineux ou une activation thermique. La quantité de charges stockées dans les ilots métalliques est alors corrélée à l’intensité du phénomène. Ensuite, le mouvement des éléments du générateur permet de produire de l’énergie électrique, et l’intensité de l’énergie produite peut permettre de remonter à l’intensité du stimulus ayant contribué à la formation des charges.

Claims

Générateur triboélectrique (1), comportant au moins des premier (10 ; 60) et deuxième (20 ; 70) éléments triboélectriques mobiles au moins partiellement l’un par rapport à l’autre, le générateur comportant au moins des première (11) et deuxième (21) électrodes entre lesquelles un courant électrique peut être généré lorsqu’un état de charge des électrodes varie du fait d’un déplacement relatif des éléments, ce générateur étant caractérisé par le fait que l’un (20 ; 70) au moins desdits éléments triboélectriques comporte au moins une couche de stockage (23) isolée desdites électrodes (11,21) et mobile relativement à l’une au moins desdites électrodes lors du déplacement relatif des éléments triboélectriques, cette couche de stockage pouvant accumuler des charges lors du fonctionnement du générateur, cette couche de stockage (23) étant disposée au sein du générateur de manière à exercer une influence électrostatique sur au moins l’une desdites électrodes (11 ; 11, 21) lors du déplacement relatif des éléments.
Générateur selon la revendication 1, la couche de stockage (23) s’étendant parallèlement à une interface entre lesdits éléments (10, 20 ; 60, 70).
Générateur selon l’une des revendications 1 et 2, la couche de stockage (23) étant discontinue dans au moins une direction.
Générateur selon l’une quelconque des revendications précédentes, la couche de stockage (23) étant formée d’un réseau d’îlots conducteurs (30).
Générateur selon la revendication 4, les îlots (30) étant uniformément distribués parallèlement à l’interface entre lesdits éléments.
Générateur selon l’une quelconque des revendications précédentes, la couche de stockage (23) s’étendant au moins partiellement, au moins lorsque les premier et deuxième éléments triboélectriques (10, 20) sont en contact, entre des première (22) et deuxième (24) couches isolantes.
Générateur selon la revendication 6, les première et deuxième couches isolantes étant formées de matériaux diélectriques différents.
Générateur selon l’une des revendications 6 et 7, les première et deuxième couches isolantes ayant des épaisseurs différentes, avec de préférence la couche isolante (24) qui s’étend entre la couche de stockage (23) et l’électrode (11) de l’élément triboélectrique (10) opposé qui est d’une épaisseur moindre que celle (22) qui s’étend entre la couche de stockage (23) et l’électrode (21) de l’élément triboélectrique (20) qui porte ladite couche de stockage (23).
Générateur selon l’une des revendications 6 à 8, les première et deuxième couches isolantes (22, 24) appartenant au même élément triboélectrique (20).
Générateur selon l’une quelconque des revendications 6 à 9, comportant une couche isolante recouvrant la couche de stockage (23), de préférence une couche de parylène.
Générateur selon l’une quelconque des revendications précédentes, la couche de stockage (23) étant formée d’un métal.
Générateur selon la revendication 11, la couche de stockage (23) étant réalisée par gravure d’un film métallisé.
Générateur selon l’une quelconque des revendications précédentes, les électrodes étant portées par un même élément triboélectrique (60).
Générateur selon la revendication 13, les électrodes (11, 21) étant interdigitées.
Générateur selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, les électrodes (11, 21) appartenant respectivement aux deux éléments triboélectriques (10, 20).
Générateur selon l’une quelconque des revendications précédentes, le mouvement entre le premier (10) et le deuxième (20) élément triboélectrique étant un mouvement de mise en contact et d’éloignement des deux éléments triboélectriques.
Générateur selon l’une quelconque des revendications 1 à 15, le mouvement entre le premier et le deuxième élément triboélectrique étant un mouvement de frottement des éléments entre eux.
Procédé de génération d’électricité utilisant un générateur triboélectrique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on produit de l’électricité en transformant un mouvement des éléments triboélectriques (10, 20) l’un par rapport à l’autre en un courant électrique.
Utilisation d’un générateur selon l’une quelconque des revendications 1 à 17 comme capteur d’au moins une grandeur physique, dans lequel on mesure une tension et/ou courant produit par le générateur en réponse à un stimulus physique.
Utilisation selon la revendication 19, ledit stimulus étant un stimulus mécanique tel qu’un déplacement relatif des deux éléments triboélectriques, et/ou un stimulus optique et/ou thermique induisant une charge de la couche de stockage.