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ENSTA 1

Module Energies Renouvelables

Recuperation de l’energiebio-mecanique par des systemes

piezoelectriques.

Auteurs :Vincent BARTHLaurent HETRUBaptiste RAVINEL

Mercredi 12 Janvier

1. Ecole Nationale Superieure de Techniques Avancees

Table des matieres

Table des matieres 2

1 Introduction 2

2 L’effet piezoelectrique 32.1 Mise en equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2 Les principaux materiaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

3 D’autres materiaux electroactifs 93.1 Les electrostrictifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.2 Les polymeres ioniques type IPMC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.3 Les divers materiaux electroactifs et leurs applications . . . . . . . . . . . . . . . 10

4 Le principe de Human Energy Harvesting/ HEH 104.1 Les differentes sources d’energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124.2 Les solutions technologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

5 Applications diverses dans le cadre de l’HEH 165.1 Telephonie mobile et appareils electroniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165.2 Chaussures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175.3 Plancher dynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185.4 Portillons de station de metro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195.5 Route dynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215.6 Autres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

6 Conclusion 22

Bibliographie 23

1 Introduction

Les nouveaux enjeux energetiques ont favorise l’emergence d’un engouement collectif a lafois pour les energies renouvelables et pour les moyens de production energetiques durable. Leconcept de source de production secondaire d’energie est base sur la possibilite de recuperationde toute forme d’energie potentielle afin de la transformer en source d’electricite exploitable.Cette notion, bien que tres recente, est en plein essor. Il est de plus en plus courant de trou-ver des systemes permettant de recuperer de l’energie a partir de chaleurs (refroidissement devapeur), de rayonnement (soleil), d’actions mecaniques residuelles d’un systeme principal fonc-tionnant a partir d’une source primaire (reseau electrique ou energie fossile).De nombreuses solutions techniques existent d’ors et deja. A titre d’exemple, nous pourronsciter les panneaux photovoltaıques, ou encore les materiaux piezoelectriques autorisant la trans-formation de contraintes mecaniques en potentiel electrique. Ces solutions techniques cumuleesa des concepts d’emploi innovants (valorisation d’energie a partir de ”rejets” provenant de

2

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systemes complexes) constituent le concept d’Energy Harvesting.

Figure 1: Sources potentielles d’energie du corps humain

Dans ce document, nous nous interesserons plus en detail a une solution : ”les piezoelectriques”dans leur application pour la recuperation d’energie a partir des contraintes mecaniques exerceespar les individus. C’est le Human Energy Harvesting. Comme peut l’illustrer la figure 1, l’etrehumain rejette de l’energie sous differentes formes. Les efforts mecaniques developpes commele mouvement des bras ou la ”marche” peuvent donc etre en partie captes par ces ”materiauxpiezoelectriques”.Le but est donc de capter et de transformer le travail mecanique developpe par le corps humainen sources electrique exploitables comme sources secondaires d’energie.

2 L’effet piezoelectrique

La piezoelectricite est une propriete particuliere des materiaux ferroelectriques. Elle s’ob-serve dans tous les corps possedant une anisotropie cristalline, et se manifeste selon deux effets :

– l’effet direct est la polarisation du materiau sous l’action d’une contrainte mecanique :C’est le mode generateur ;

– l’effet inverse est l’apparition d’une deformation mecanique sous l’effet d’une polarisationelectrique : c’est le mode actionneur.

De nombreux materiaux presents dans la nature possedent des proprietes piezoelectriques.Neanmoins dans la majorite des cas, ces proprietes sont peu prononcees. Seuls quelques ceramiquesartificielles ou certains polymeres possedent des proprietes piezoelectriques a un degre suffisantautorisant une exploitation industrielle.

4 CHAPITRE 2. L’EFFET PIEZOELECTRIQUE

Figure 2: Deplacement du barycentre des charges au niveau de la maille cristalline

Une explication moleculaire a ce phenomene peut etre donnee. L’effet piezoelectrique estprincipalement du a la polarisation spontanee des atomes dans une molecules ou un cristal.Sous l’application d’une contrainte les nuages electroniques des atomes se deplacent par rap-port a leur position naturelle. Cette dissymetrie engendre des ”mini-dipoles” qui a leur tourcreent au sein du cristal des contraintes de positionnement entre les ions charges (cf figure 2).Dans le cas du mode generateur le processus est inverse. Neanmoins un traitement prealable desmateriaux (”la polarisation”) est necessaire afin d’optimiser les effets microscopiques et doncafin d’obtenir des effets macroscopiques significatifs (cf figure 3).

Figure 3: Changement de l’alignement des dipoles par application d’un champ electrique.a) polarisation quelconque n’autorisant pas d’effet piezoelectrique macroscopique ; b) dipolesalignes autorisant un effet piezoelectrique macroscopique

2.1 Mise en equation

Afin d’obtenir des lois de comportement pour ces materiaux, une approche macroscopiquedes phenomenes est necessaire. Les grandeurs que nous aurons a traiter sont la contrainte T , ladeformee S, le champ electrique E et le deplacement electrique D. Le potentiel thermodyna-mique a temperature constante (potentiel de Gibbs), nous permet de relier ces grandeurs (cf.

2.1. MISE EN EQUATION 5

equation 2.1.1). De cette relation decoulent les equations lineaires de la piezoelectricite.

Pour definir un potentiel thermodynamique, il est possible de privilegier un couple devariables (D;S), (D;T ), (E;S), (E;T ). On peut donc ecrire quatre couples d’equations in-trinseques en fonction des variables choisies et du potentiel thermodynamique associe. Nousnous interesserons au couple (E;T ) ( grandeurs controlables par l’utilisateur dans les modes defonctionnement). Le systeme (2.1.1) defini le potentiel de Gibbs pour les variables E et T :

G = F − SλTλ −DiEiF energie libreλ = 1...6 indice contractei = 1...3 indice des trois axes de coordonnees

(2.1.1)

Nous reecrivons l’equation (2.1.1) en retenant une approche energetique (energie elastique,energie electrique et terme de couplage de premier ordre). Avec la convention des indices repetesnous obtenons l’equation 2.1.2 :{

G(Tλ, Ei) = −1

2εTikEiEk −

1

2sEλµTλTµ− diλEiTλ (2.1.2)

Conformement a la these citee en reference ([4]) et en derivant G par rapport a Tλ et Ei, nousobtenons les equations constitutives de la piezoelectricite dans le systeme 2.1.3 et donc par lesysteme matriciel 2.1.5.

Sλ = −(

∂G

∂Tλ)E = sEλµTµ+ diλEi

Di = −(∂G

∂Ei)T = diλTλ + εTikEi

(2.1.3)

λ, µ = 1, ..., 6 indices contractesi, k = 1, ..., 3 indices electriques correspondant aux trois axes de coordonnees

sE souplesse a champ electrique constant (matrice de dimension 6x6)εT permittivite a contrainte constante (matrice de dimension 3x3)d constante de charge (matrice de dimensions 3x6)

(2.1.4)

SλDi

=

sEλµ diλ

dλi εTik

TµEi

(2.1.5)

6 CHAPITRE 2. L’EFFET PIEZOELECTRIQUE

2.2 Les principaux materiaux

Il existe divers materiaux piezoelectriques :– Les monocristaux type quartz, LiNbO3, LiTaO3

– les ceramiques massives dont le PZT– les polymeres type PVDF ou copolymeres P(VDF-TrFE)– les piezocomposites type MFC (Macro Fiber Composites) ou AFC (Active Fiber Compo-

site)

Les ceramiques massives PZT

Les ceramiques PZT (Titano-Zirconate de Plomb) sont des materiaux de formule chimiquePb(Zrx, T i1−x)O3 . Elles font partie de la famille des ceramiques techniques ferroelectriques etleur structures cristallines est de type perovskite (cf. figure 4). Obtenues par agglutination parchauffage de poudres seches comprimees, les PZT sont reputees pour developper naturellementd’importants effets piezoelectriques. Un exemple de PZT est presente figure 5.

Figure 4: Structure cristalline PZT Figure 5: Ceramiques PZT

Il est important toutefois de preciser que les PZT doivent etre polarisees en post-fabricationafin d’augmenter l’effet piezoelectrique naturel en alignant les dipoles.Les premiers PZT ont ete elaborees des 1954. Les ceramiques PZT sont employees dans ledomaine des micromanipulateurs de precision tels que ceux qui sont employes en optique adap-tative en astronomie. Il existe aussi bien des ceramiques sous des formes massiques, que sous laforme de film mince ou de gel polymerise (utilise dans les MEMS 2).

les polymeres type PVDF ou copolymere P(VDF-TrFE)

Les polymeres electroactifs (EAPS : electroactive polymers) sont des polymeres dont la tailleet la forme changent sous l’influence d’un champ electrique. Ils presentent l’avantage de pouvoir

2. Microelectromechanical systems

2.2. LES PRINCIPAUX MATERIAUX 7

subir de grosses deformations et des forces importantes : certains EAPS peuvent ainsi subir desdeformations de pres de 380% (contre quelques pour-cent seulement pour les ceramiques).

L’etude des proprietes electromecaniques de polymere a commence des la fin du XIXesiecle, en 1880, lorsque Wihhelm Roentgen s’interessa a l’influence du courant electrique sur unelastique. Le premier polymere piezoelectrique n’est en revanche decouvert qu’en 1925 (Elec-tret).

Il faut toutefois attendre les annees soixante pour que des progres significatifs soient realises.En 1969, Kawai fut capable de demontrer que le fluoride polyvinylidene fluoride (PVDF cf figure6 et 7) presente un effet piezoelectrique tres important, ce qui ouvrit la porte a de nouvellesrecherches de polymeres presentant des proprietes similaires et a partir des annees 80, de nom-breux polymeres piezoelectrique sont decouverts.

Les polymeres ont l’avantage d’etre plus legers, moins fragiles, souples, insensibles auxchamps magnetiques et a faible consommation energetique.

Figure 6: Representation schematique duPVDF

Figure 7: Capteur PVDF

Aux Etats-Unis, l’Universite de Pittsburgh, PA en collaboration avec Vandergrift, PA a misen place une centrale electrique fonctionnant a l’aide de polymere ionique. Un reseau de bandeen polyvinylidene fluoride (PVDF) generera du courant en etant deplace par le courant de lariviere Kiskiminetas. La ville pourra ainsi produire 20% de l’energie consomme par le centreville de Vandergrift si le projet est un succes.

Les piezocomposites

Les piezocomposites sont des materiaux composites composes d’une matrice en resine danslaquelle sont � inserees � des ceramiques piezoelectriques type PZT. Le but est d’allier la flexi-bilite mecanique de la resine (module de Young faible) avec le bon couplage mecano-electriquedes ceramiques PZT (cf. figure 8)

8 CHAPITRE 2. L’EFFET PIEZOELECTRIQUE

Figure 8: Representation schematique de la structure piezocomposite

Table recapitulative

D’apres la these citee en reference ([4]), nous disposons d’information recapitulatives (figure9) concernant les differents type de materiaux piezoelectriques.

Figure 9: Principales proprietes des materiaux piezoelectriques

La ligne surlignee en vert represente les densites d’energie maximum recuperables par unite

de volume (Eelec =1

2k2Y S2) 3 pour les differents types de piezoelectriques en mode generateur.

Les ceramiques presentent les plus grandes densites avec 56mJ.cm−3 suivi des piezocompositesavec 30mJ.cm−3. Les polymeres PVDF ne developpent que 0, 6µJ.cm−3. Neanmoins ces der-niers possedent de nombreux autres avantages comme poids largement inferieur aux ceramiques(densite ∼ 1000kg.m−3) ainsi qu’une plus grande elasticite mecanique (module d’young faible).

3. k coefficient de couplage, Y module d’Young, S2 deformee maximum

9

3 D’autres materiaux electroactifs

3.1 Les electrostrictifs

L’electrostriction est une propriete de tout materiau non-conducteur, ou dielectrique, quiconsiste en une modification de sa forme sous l’effet d’un champ electrique applique. Elle estl’equivalent electrique de la magnetostriction.

L’electrostriction est une propriete de tous les dielectriques, qu’ils soient amorphes ou cristal-lins, due a la presence de domaines electriques repartis aleatoirement a l’interieur du materiau.Lorsqu’un champ electrique est applique, chaque domaine se polarise suivant l’axe de celui-ci. Les extemites des domaines se chargent de facon opposees, et s’attirent mutuellement enconsequence provoquant une reduction de leur dimension dans la direction du champ electrique(et conjointement un allongement de leurs dimensions perpendiculaires au champ, dans lesproportions du coefficient de Poisson). La deformation resultante est proportionnelle au carredu module du champ electrique : on dit qu’il s’agit d’un effet du second ordre. Il faut doncdistinguer le phenomene d’electrostriction, qui est un phenomene du second ordre de l’effetpiezoelectrique inverse qui est lineaire. En outre, il n’existe pas d’effet electrostrictif inverse,c’est a dire qu’un materiau electrostrictif ne creera pas de champ electrique quand il est deforme.

Les cristaux ou les ceramiques presentent a la fois des proprietes electrostrictives et piezo-electriques. Toutefois, le phenomene d’electrostriction est beaucoup plus faible que le phenomenepiezoelectrique. C’est pour cette raison que l’on a utilise preferentiellement les ceramiquespiezoelectriques jusqu’a recemment malgre des problemes de vieillissement et une hysteresisimportante.

3.2 Les polymeres ioniques type IPMC

Au debut des annees 90, les polymeres composites metal-ion (IPMC) sont developpes etpresentent des proprietes electro-actives bien superieures a celle des premiers EAPs. L’avantageprincipal des IPMCs est qu’ils presentent des deformations suite a des excitations electriquesinferieures a 1 ou 2 volts.

Un IPMC est forme d’une membrane echangeuse d’ions sur laquelle est deposee une electrodeen metal. Le processus chimique de fixation des ions conduit a l’apparition d’un gradient deconcentration.

Aujourd’hui, on utilise surtout des membranes echangeuses d’ions de type Nafion (anionsfixes, cations mobiles) sur lesquelles sont deposees une electrode en or ou en platine.

Deux modeles permettent de decrire le fonctionnement d’un IPMC :– Un modele electrostatique : le champ electrique cree des forces electrostatiques de repulsion

et d’attraction, ce qui engendre une redistribution des cations. Une densite de charge nonhomogene va donc apparaıtre produisant une force interne sur la chaine carbonnee du

10 CHAPITRE 4. LE PRINCIPE DE HUMAN ENERGY HARVESTING/ HEH

polymere. Celle-ci se relache dans les zones riches en anions et se tend dans les zonesriches en cations, ce qui courbe le materiau ;

– Un modele hydraulique : la champ electrique provoque la migration des cations qui en-traine les molecules d’eau, qui engendrent des pressions sur la membrane du polymere etla courbe.

Le modele le plus realiste est un modele mixant les deux precedemment decrits : c’est lemodele de Yamagami-Tadokoro.

Figure 10: Principe de fonctionnement enmode actionneur d’un IPMC.

Figure 11: Mouvement des ions au seind’un polymere IPMC.

3.3 Les divers materiaux electroactifs et leurs

applications

D’apres la these [4], la table figure 12 nous presente un recapitulatif des differents materiauxde type ”electroactifs”. Ce tableau precise egalement les points forts de chaque famille deproduits et leur applications associees.

4 Le principe de Human Energy Harvesting/ HEH

Les idees developpees dans les articles [1] et Art2 sont basees sur des observations concretes.Les performances des nouveaux appareils electroniques nomades sont de plus en plus im-portantes. Les dernieres technologies en matieres de telecommunications et d’informatiquespossedent des capacites de calcul, de stockage et de traitement de donnees gigantesques (cffigure 13).

L’accroissement des performances est etroitement lie a l’augmentation de consommationelectrique necessaire au fonctionnement de ces appareils. Malgre des progres considerables dansles batteries, l’energie devient le facteur limitant dans la portabilite et l’endurance des techno-logies de demain.

11

Figure 12: Caracteristiques principales de six polymeres electroactifs en mode generateur

Figure 13: Amelioration relative des performances des notebooks 1990–2003

Le concept d’ ”Energy Harvesting” consiste en la recuperation de toute forme d’energieresiduelle degagee par les appareils ou leur environnement. Le but est de retransformer cesenergies en source exploitable en vue d’un complement ou d’une aide a la source principale(batteries par exemple).

12 CHAPITRE 4. LE PRINCIPE DE HUMAN ENERGY HARVESTING/ HEH

4.1 Les differentes sources d’energie

Une premiere source d’energie provient de l’environnement entourant le systeme considere.En effet il existe un ensemble de phenomene mecaniques, thermiques, electromagnetiques usuel-lement indesirables mais producteurs d’energie.Les environnements consideres pouvant etre tres disparates, nous citerons parmi d’autres sources :

– Les vibrations mecaniques parasites exterieures ou produites par le systeme ;– Les diverses sources de rayonnement thermique ”Infrarouge” ;– L’exposition solaire ;– L’exposition a d’autres sources de lumiere ou de rayonnement ;– L’exposition au vent ;– Les variations de pression ou fortes pressions ;– etc...

L’autre reservoir d’energie est constitue d’elements actifs fournissant un travail mecanique ouautre en plus de leur fonction premiere. Parmi un ensemble de systemes energetiques auxiliairespossible, nous retrouverons ici l’Homme. Comme nous le montre la figure 1, l’etre humain rejettedans son environnement proche de l’energie sous differentes formes (rayonnement, thermique,mecanique, vent etc..).Les auteurs des documents [1], [2], [3], [4] ainsi qu’un laboratoire au MIT 4 [8], ont deja mene untres grand nombre d’etudes visant a recuperer ces sources d’energies rejetees involontairementpar les individus.

Afin d’etre plus precis sur le potentiel energetique humain, nous trouvons dans le document[2], quelques calculs simples permettant de donner une premiere approximation de l’energierecuperable dans le cas de divers actions anthropiques.

La chaleur humaine

La chaleur produite par le corps humain pour se maintenir a un temperature proche de 37◦Cva se propager dans son environnement. Nous pouvons calculer donc le rendement d’une ma-chine de CARNOT ideale fonctionnant entre le corps humain (source chaude) et la temperatureambiante (source froide). Ce rendement nous est donne par l’equation (4.1.1).

η =

Tcorps − TambTamb

Pour 20◦C = 3, 3%

(4.1.1)

Nous obtenons alors une idee de l’energie idealement recuperable, par un generateur thermoelectriquedans la cadre de differentes activites humaines, en multipliant les valeurs du tableau figure 14par η.

4. Massachusetts Institute of Technology

4.2. LES SOLUTIONS TECHNOLOGIQUES 13

Figure 14: Depense energetique humaine par activite

Le souffle

L’air expire ou inspire peut etre considere comme un ecoulement. Cet ecoulement travailglobalement grace a divers efforts de pression que l’on peut modeliser grossierement par W =p∆V .Une personne moyenne de 70kg respire environ 30 litres d’air par minute. La pression a l’interieurdu poumon est consideree comme 2% inferieur a la pression atmospherique. Nous negligeronsles phases d’inspiration qui inclues des efforts supplementaires. Dans ces conditions la puissancemaximale disponible sera de 1W (cf. calcul dans [2]).

La marche

La marche humaine est un processus complexe mettant en jeux de nombreux mouvements.Le corps humain doit donc fournir une grande quantite d’energie afin d’assurer ce mouvement(cf. figure 15). D’apres la figure 1), la puissance moyenne developpee par un cycle de marchecomplet correspond a 67W .

Ainsi de l’energie peut etre recuperee lors du cycle de marche par trois principales methodes :– Recuperation d’energie suite a des contraintes mecaniques sur les elements flechissants

(articulations du genou et du talon) ;– Recuperation d’energie suite a des contraintes de pression (pression du pied sur le sol)

(cf. figure 16) ;– Energie thermique degage par les muscles de posture ou de la jambe (deja traite ci dessus).

4.2 Les solutions technologiques

Afin de recuperer l’energie provenant de differences de chaleur, de divers rayonnements,de contraintes mecaniques, ou d’ecoulements de fluide, il faut avoir recours a des solutionstechnologiques par le biais de capteurs ou de transducteurs produisant de l’energie electrique apartir de ces sources secondaires.

14 CHAPITRE 4. LE PRINCIPE DE HUMAN ENERGY HARVESTING/ HEH

Figure 15: Cycle complet de la marche

Figure 16: Force de reaction du sol/pied lors d’un cycle de marche . Force en % du poids del’individu

Nous trouverons donc pour chaque domaine des solutions innovantes presentees en partie dansl’article [1] :

– Les panneaux photovoltaıques : transformation rayonnement solaire en energie electrique(rendement : η ∼ 10%) ;

– Les generateurs thermoelectriques (thermocouple) : fonctionnant entre 2 sources de cha-leurs (cycle de Carnot) (rendement : η ∼ 5%) (cf. figure 17) ;

– Les generateurs electrostatiques, ”Coulomb-damped resonant generators (CDRGs)” : trans-formation mouvement en energie electrique (cf. figure 18) ;

– Les systemes inductifs : transformation mouvement en energie electrique (cf. figure 19) ;– Les systemes piezoelectriques (traite ci dessus) : transformation mouvement en energie

4.2. LES SOLUTIONS TECHNOLOGIQUES 15

electrique ;

Figure 17: Illustrations generateursthermoelectriques (thermocouple)

Figure 18: Illustrations generateurselectrostatiques, ”Coulomb-damped reso-nant generators (CDRGs)”

Figure 19: Un systeme inductif pour montre. Base sur le mouvement du poignet.

Nous nous focaliserons pour la suite de ce rapport sur les applications mettant en oeuvredes technologies piezoelectriques.

16 CHAPITRE 5. APPLICATIONS DIVERSES DANS LE CADRE DE L’HEH

5 Applications diverses dans le cadre de l’HEH

Muni de toutes les definitions et proprietes physiques des piezoelectriques, il faut desormaistrouver des applications a developper pour que cette technologie ne reste pas a l’etat de re-cherche. En effet si la technologie piezoelectrique commence a etre bien maıtrisee, son im-plantation reste un immense defi. On pourrait les imaginer fixes sur tout notre corps, maisactuellement les principales cibles sont les chaussures et surtout tous les appareils mobiles, telsles telephones portables. On envisage egalement de recuperer l’energie dans le sol a l’aide deplanchers piezoelectriques. Au-dela de l’individu la recuperation d’energie par la route est aussiune maniere d’utiliser l’energie produite par nos deplacements.

5.1 Telephonie mobile et appareils electroniques

Les appareils mobiles sont le domaine par excellence requerant de l’energie electrique, peuimporte le lieu ou l’utilisateur se trouve. Ils ont en plus l’avantage de posseder un dispositifde stockage, supprimant ainsi la problematique de la recuperation de l’energie produite par lespiezoelectriques. On pourrait alors s’imaginer avoir des telephones portables charges en perma-nence, simplement parce que nous nous deplacons.

Debut 2010, le fabriquant finlandais Nokia a depose un brevet pour une batterie capable derecuperer l’energie du mouvement de son utilisateur. Sa denomination est Piezoelectric KineticEnergy Harvester.

Pour cela il est suggere de placer les composants les plus lourds du telephone sur deux pairesde rails autorisant des deplacements verticaux ou horizontaux lies a ceux de l’utilisateur. Lescomposants sont places sur un cadre se deplacant sur des rails fixes sur un cadre exterieur liea la coque du telephone. A l ‘extremite des rails, sur le cadre exterieur on trouve des bandesde cristaux piezoelectriques et lors de l’impact du cadre mobile avec son support un courantelectrique est genere puis stocke dans la batterie via un condensateur.

Le schema figure 20 et 21 montre les composants fixes sur des rails, ainsi que l’abstract dubrevet depose sous le numero US2010/0045241 A1.

Le depot de se brevet n’indique bien sur pas une date de commercialisation prochaine. Ce-pendant cela montre que la recherche sur ce sujet avance et surtout qu’elle se developpe audela des simples capteurs piezo-electriques. En raison de l’energie electrique qui ne peut etrerecuperee qu’en faible quantite et de la gourmandise des telephones mobiles avec toujours plusde fonctionnalites, il faudra sans doute attendre un peu pour ranger nos chargeurs de por-table. La premiere idee serait de developper des modeles de telephone portable basiques quipourraient etre utilises en Afrique notamment. Certaines populations ayant un acces restreinta l’electricite, il leur serait tout de meme possible d’acceder aux moyens de communication, acondition bien sur qu’il y ait une infrastructure de telecommunication.

Par ailleurs des chercheurs du departement de chimie de l’universite de Princeton ontdeveloppe des films en elastomere qui pourraient permettre de recuperer l’energie du mouve-ment pour alimenter des telephones mobiles, des stimulateurs cardiaques et d’autres appareils

5.2. CHAUSSURES 17

Figure 20: Schema de principe

Figure 21: Resume du brevet numeroUS2010/0045241 A1

electroniques. Ils sont les premiers a avoir associe du silicone et des nano rubans de Titano-Zirconate de Plomb (PZT), une ceramique piezoelectrique presentee plus haut. Le travaille al’echelle nanometrique permet de faire tenir 100 bandes de ce piezoelectrique sur un millimetre.Il est possible de former des bandes siliconees delivrant le courant necessaire en jouant sur lataille de leur assemblage.

Les PZT sont capables de convertir pres de 80% de l’energie mecanique en energie electrique.Cela presente un gros avantage car l’energie mecanique produite par la respiration n’est pascolossale, d’ou la necessite d’en recuperer un maximum. Il serait donc envisageable de placer cesbandes de silicone sur les poumons pour alimenter un stimulateur cardiaque grace a la respira-tion. Le silicone presente de plus l’avantage d’etre deja utilise en chirurgie, ce qui permettraitl’implantation du systeme en limitant les rejets par le corps. Meme si notre sujet s’interesse ala recuperation d’energie, on peut noter qu’en alimentant ce dispositif, il se plie. Cela ouvre desperspectives pour du materiel d’intervention chirurgicale miniaturise.

La photo, figures 22 presente le dispositif piezoelectrique dans le silicone. L’ image 23represente les bandes de piezoelectrique dans le silicone.

5.2 Chaussures

Les chaussures qui sont soumises a des compressions et des deformations lors de la marchesont des endroits particulierement adaptes pour recevoir des capteurs piezoelectriques. On sesouvient egalement des chaussures a talon lumineux qui fonctionnent sur le meme principe.

Les chercheurs du MIT ont ete les premiers a developper une chaussure recuperant del’energie. Deux dispositifs sont installes. Dans le talon on trouve des piezoelectriques de typePZT, la puissance moyenne recuperee est de 10 mW. Dans la semelle, on trouve un capteur de

18 CHAPITRE 5. APPLICATIONS DIVERSES DANS LE CADRE DE L’HEH

Figure 22: Dispositif piezoelectrique dansle silicone

Figure 23: bandes de piezoelectrique dansle silicone

type PVDF egalement presente plus haut. La puissance moyenne est de 1mW. Ces capteurssont contraints par la taille et la forme de la semelle. Le piezoelectrique dans le talon est rigidealors que celui dans la semelle est souple. L’idee est d’utiliser deux types de capteurs chacunetant adapte au milieu dans lequel il est implante. Afin d’optimiser la recuperation d’energie lepremier capteur a ete place dans le talon d’une botte rigide de l’US Navy et le second dans unebasket Nike classique. On stocke ensuite l’energie dans une capacite au travers d’un convertis-seur forward. Le rendement est de 17% et la puissance fournie est de 1,3mW.pour une frequencede marche de 0,8 Hz. Le stockage et la recuperation de l’electricite restent les elements les plusimportants a ameliorer.

Un autre groupe de chercheurs de la Louisiana Tech University ont egalement developpe unechaussure avec piezoelectriques. Au lieu d’utiliser les habituelles ceramiques, ils ont utilise unpolymere avec des surfaces metalliques. Contrairement a la ceramique, le polymere est flexible.Le courant produit etant cependant tres faible, un convertisseur assure une tension fixe et l’ef-ficacite est de 75%. L’idee finale etant de pouvoir alimenter des GPS de cette maniere.L’entreprise � Electric Shoe Company � et Texon International ont developpe une chaussureelectrique et l’ont teste dans le desert de Namibie, une marche de 100km a permis de charger labatterie d’un portable pour ensuite emettre un appel en Grande Bretagne. Il semble par ailleursque les armees de differents pays travaillent egalement sur ce type de dispositif. On verra ainsipeut etre fleurir des chaussures chargeant les telephones portables, plus tot que prevu.

5.3 Plancher dynamique

Bien souvent lorsque l’electricite est recuperee directement sur le corps, on se demande oula stocker. Il devient alors interessant d’avoir des systemes independants des individus pourrecuperer et stocker cette energie. Une idee est le plancher dynamique deja utilise en boıte denuit pour des dalles lumineuses. Ainsi dans des zones de forte affluence il serait possible de chan-

5.4. PORTILLONS DE STATION DE METRO 19

Figure 24: Systeme d’Energy Hervesting sur chaussure de sport.

ger le sol pour l’equiper d’un dispositif piezoelectrique et recuperer l’energie du passage des gens.

Elizabeth Redmond a presente un projet Power Leap pour son memoire de master, afinde recuperer l’energie des passants a l’aide de dalles equipees de ceramiques piezoelectriques.L’energie peut etre stockee et utilisee pour de nombreuses applications, principalement surplace. Par exemple alimenter un ascenseur proche d’une zone de passage. On aurait ainsi desboucles energetiques dans certaines maisons, il n’y aurait plus besoin d’utiliser de l’electricitede l’exterieur puisqu’elle serait produite sur place pour un certain nombre d’appareils. Pour dessystemes plus vastes on peut imaginer un reinjection sur le reseau electrique. On peut memeimaginer une utilisation a grande echelle. Un avantage serait la production maximale aux heuresde grande activite, souvent l’heure a laquelle l’electricite est la plus chere. A l’heure actuelle lesquelques premieres dalles installees suscitent de l’interet surtout pour les diodes qui s’allumentlorsqu’on marche dessus. Il ne reste plus qu’un pas a franchir pour equiper de nombreux lieuxavec cette technologie. Il faudra cependant prendre en compte le fait que les lieux de passagesont aussi ceux ou le sol est le plus sollicite et ainsi eviter des pannes dues a une usure precoce.

Power Leap est une entreprise Cleantech creee en 2008, qui est entrain de finir le developpementet les prototypes de ses planchers dynamiques. A l’aide de financements, ils esperent lancer unmodele commercial tres rapidement.

Des illustrations sur ce type de solution sont presentees figures 25 & 26.

5.4 Portillons de station de metro

Une autre idee innovante nous vient du Japon. La compagnie de transport public JR-Easta mis en place un systeme experimental de capteurs piezoelectriques au niveau des portillons

20 CHAPITRE 5. APPLICATIONS DIVERSES DANS LE CADRE DE L’HEH

Figure 25: Differentes utilisations du plancher dynamique

Figure 26: Un trottoir piezoelectrique selon Innovatech.

d’acces au metro de Shibuya a Tokyo (cf. figure 27). Le systeme est similaire au plancher dy-namique puisque les piezos sont places dans le sol sous le portillon. Lorsqu’un passager passele portillon, une lampe s’allume pour signifier la production d’electricite. Cela permettrait defournir une partie de l’electricite requise dans les stations, en particulier pour les plaques tour-nantes du trafic.

Figure 27: Portillons d’acces au metro de Shibuya a Tokyo.

5.5. ROUTE DYNAMIQUE 21

5.5 Route dynamique

Figure 28: Exemple de fonctionnement de route dynamique.

Puisque l’on peut recuperer de l’energie au sol pourquoi se limiter aux pietons. L’entrepriseisraelienne Innowattech a decide de recuperer l’energie produite par le passage des voitures(cf. figure 28). A Haıfa est actuellement en test le premier troncon de route piezoelectrique.Cette initiative est menee en collaboration avec l’universite de Techion. Ils prevoient qu’un kmde route puisse produire 500 kWh a condition d’avoir le passage d’au moins 600 vehicules.L’electricite ainsi recuperee peut ensuite etre reinjectee dans le reseau. L’image 29 ci-dessouspresente les trois types de circulations pour lesquelles la technologie pourrait etre declinee : laroute, le rail et les pietons. Ils estiment un amortissement en 2 ans et une production poten-tielle de 250 MWh pour Israel. Le systeme pourrait etre perfectionne en ajoutant des capteurspour determiner le poids, la frequence de passage des vehicules et la distance entre les vehicules.

Figure 29: Dispositif disponible pour differents types de circulation.

5.6 Autres

A cote de la recuperation d’energie humaine, il existe une multitude d’autres manieresde recuperer de l’energie avec des piezos. Ainsi certains recuperent de l’energie sur des ma-chines, d’autres ont invente un arbre piezoelectrique avec des feuilles en metal qui recupererentl’energie du vent. La DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) finance et cherchea developper la recuperation d’energie humaine par des piezoelectriques. Ses objectifs sont prin-cipalement militaires, mais cela accelerera sans doute le developpement de la technologie, qui

22 CHAPITRE 6. CONCLUSION

trouvera aussi sa place dans le civil.

Actuellement les deux principales technologies presentees sont des pieces mobiles ou piezosminiatures pour recuperer l’energie directement sur le corps afin d’alimenter des petits appareils,ainsi que des dalles en ceramique piezoelectrique qui recupere l’energie du passage des gens. Onpeut imaginer la technologie se developpant partout avec des appareils mobiles autonomes, descombinaisons pour recuperer l’energie de nos moindres mouvements, ainsi que des sols entierrecuperant l’energie.

Il ne faut cependant pas oublier les principales limitations de cette technologie. Tout d’abordelle produit de l’electricite en tres faible quantite. Ensuite se pose des problematiques de stockagede l’electricite. Si la technologie se developpe autant que l’on peut l’esperer, il faudra savoirchoisir les endroits ou l’investissement est interessant tout en tenant compte des contraintesliees a l’entretien et a l’usure des zones equipees.

6 Conclusion

Le concept d’Energy Harvesting est assez large. Particulierement prometteur, il a toutesa place dans les problematiques plus large sur les nouveaux enjeux energetiques. Comme lesapplications precedentes peuvent l’illustrer, ce concept est aussi generateur d’innovation per-manente. Les solutions autorisant le recyclage d’energie sont de plus en plus complexes et fontappel a des technologies de pointes (photovoltaıque, generateur electrostatique, piezoelectrique,etc...).Les materiaux piezoelectriques sont particulierement adaptes a ces applications. En effet unegrande partie des dechets energetiques se dissipent sous forme de contraintes mecaniques indesirables.De plus en plus performants, souples, et legers avec les polymeres PV DF , les piezo-compositeset les polymeres IPMC ioniques, ces types de materiaux electroactifs peuvent etre utlises pourdes applications innovantes permettant de tirer partie de l’energie degage par le corps humain.Il sera concevable dans un futur proche de concevoir des systemes complexes (telecommunication,ordinateur, etc..) ne dissipant plus aucune energie et recyclant en permanence des energies”dechets” afin de produire une source d’electricite.

S’inscrivant dans une conception plus large du futur energetique, l’Energy Harvesting” n’estqu’un element parmi un kyrielle de concept originaux ayant pour but d’ameliorer la consomma-tion des energies produites et d’optimiser l’utilisation des ressources energetiques. Nous citeronsen plus de l’Energy Harvesting, les concepts d’energie renouvelables (naturellement), mais aussiles ”Smart Grid”, ou encore l’effacement de consommation etc...En fonctionnant en synergie, ces nouveaux concepts energetiques peuvent constituer une solu-tion ”durable” a l’optimisation de la consommation electrique.Plus generalement, il parait evident que les nouveaux enjeux energetiques passent certes parl’augmentation de la production d’energie mais aussi par une consommation controlee et plusresponsable.

BIBLIOGRAPHIE 23

Bibliographie

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