Nicolas SHUN, Brandon-Brice WANGUEP NGUEBOU, Moussa MEZHOUD
De nos jours, l’énergie est un domaine de recherche privilégié. En effet, bien que les besoins énergétiques ne cessent de grandir, les principales sources actuelles d’énergie montrent des faiblesses (ressources limitées pour les énergies fossiles, énergie nucléaire coûteuse pour l’environnement…). Il est donc nécessaire de chercher de nouveaux moyens de récolter de l’énergie, en particulier là où elle est perdue : c’est le principe de l’ « Energy Harvesting ».
Dans le cadre de ce projet, nous nous intéresserons à la récupération de l’énergie éolienne en tentant de réaliser un prototype basé sur le principe du « Vibro-Wind ». Il s’agit d’un système de conversion de l’énergie éolienne en énergie électrique via un matériau piézoélectrique, et pouvant être installé sur le toit d’un bâtiment ou dans des endroits ventés. Le témoin de la réussite du projet pourra être l’allumage d’une diode LED.
La piézoélectricité est la propriété que possèdent certains corps de se polariser électriquement sous l’action d’une contrainte mécanique et réciproquement de se déformer lorsqu’on leur applique un champ électrique. Les deux effets sont indissociables. Le premier est appelé effet piézoélectrique direct ; le second effet piézoélectrique inverse. Cette propriété trouve un très grand nombre d’applications dans l’industrie et la vie quotidienne.
Les matériaux piézoélectriques sont très nombreux, pourvu que leur structure cristalline ne présente pas de centre de symétrie. Le plus connu est sans doute le quartz, toujours utilisé aujourd’hui dans les montres pour créer des impulsions d’horloge. Mais ce sont des céramiques synthétiques, les PZT (Titano-Zirconate de Plomb) qui sont le plus largement utilisées aujourd’hui dans l’industrie. Leur structure est donnée en figure 1.
Figure 1 – Structure PZT (pérovskite) avec et sans contrainte mécanique.
Il existe cependant désormais de nombreux autres matériaux montrant des propriétés piézoélectriques intéressantes. C’est notamment le cas des polymères electro-actifs comme le polyvinylidène fluoride (PVDF, Figure 2). Ils présentent l’avantage d’avoir des propriétés mécaniques différentes des céramiques très dures. Ils ne permettent néanmoins pas d’obtenir des puissances équivalentes à celles du PZT.
Figure 2 – Formule du PVDF.
Le Vibro-Wind
Le système Vibro-Wind consiste en un panneau sur lequel sont implantés des blocs de polystyrène reliés à des transducteurs piézoélectriques (Figure 3). Chacun des blocs contient un « piezoelectric cantilever », c’est-à-dire une tige flexible sur laquelle a été déposée une couche de PZT. Lorsque le vent souffle sur les blocs de polystyrène, la vibration générée est alors transformée en électricité par les microgénérateurs piézoélectriques en céramique.
Figure 3 – A gauche, un prototype de vibro-wind, à droite, la représentation du piézoélectrique à l’intérieur des blocs
Il s’agit d’un dispositif composé d’une tige souple sur laquelle sont collés des éléments de matériaux piézoélectriques et rattachée d’une part à un support fixe, et d’autre part à une masse. Ainsi, lorsque la masse est exposée au vent, la tige se met à vibrer et déforme les piézoélectriques produisant ainsi de l’énergie. Le système repose donc davantage sur la fréquence de vibration que sur la force appliquée sur le matériau.
Nous nous intéresserons au cas de la récupération d’énergie issue des courants d’air dans le bâtiment de l’ENSCP à des endroits réunissant de nombreux usagers, avec beaucoup de passages ou d’ouvertures de portes provocant des courants d’air. Ici, le prototype sera réalisé à partir du matériel disponible dans le laboratoire, dans l’espoir d’allumer une lampe LED.
Matériel :
- Pastilles piézoélectriques pour brumisateur
- Fil électrique
- Plaques de circuit imprimé
- Matériel courant de laboratoire
Notre prototype consiste à déposer sur une tige de circuit imprimé, côté cuivre, une série des pastilles piézoélectriques. A la première extrémité de la tige nous mettons une masse, la tige est fixée de l’autre côté sur un support fixe. Lorsque le système est soumis au vent la masse fixée à l’extrémité fait vibrer la tige ce qui conduit à la déformation des pastilles piézoélectriques et donc à la génération du courant électrique par effet piézoélectrique.
Le schéma du prototype imaginé est donné en figure 4:
Figure 4 – Schéma du prototype imaginé
Le système est relié à un circuit électrique permettant de redresser le signal et de stocker l’énergie dans un condensateur avant de la redistribuer à une LED par exemple.
Le PZT
Le Titano-Zirconate de Plomb Pb(Zr,Ti)O3, ou PZT, est une solution solide composée de zirconate de plomb PbZrO3, ou PZO, et de titanate de plomb PbTiO3, ou PTO. Le PZT cristallise en phase pérovskite, représentée figure 1. La concentration relative de titane et de zirconium joue un rôle très important sur les propriétés piézoélectriques du matériau. Selon le rapport Zr/Ti et la température, la maille peut être tétragonale, rhomboédrique, monoclinique, ou cubique lorsque la température dépasse une température critique appelée température de Curie.
En-dessous de la température de Curie, le PZT est piézoélectrique, pyroélectrique et ferroélectrique. A la température de Curie, la maille devient cubique et donc centrosymétrique. Le matériau perd alors les propriétés précédemment évoquées. On dit qu’il est paraélectrique.
Le PZT présente des coefficients piézoélectriques très élevés. Ces coefficients élevés sont obtenus dans une zone particulière du diagramme de phase, appelée zone morphotropique, où coexistent les phases tétragonale, rhomboédrique et monoclinique. Dans cette zone morphotropique du diagramme de phase, il existe un grand nombre de directions autorisées pour le vecteur polarisation. La rotation du vecteur polarisation est alors facilitée, ce qui a pour conséquence d’exacerber les propriétés piézoélectriques du matériau.
Dans notre projet nous avons utilisé des pastilles du PZT (transducteur piézoélectrique pour bain ultrason) de 2cm de diamètre et 1mm d’épaisseur que l’on a métallisé en utilisant de la laque d’argent. Le contact ohmique est assuré par des plaques de circuit imprimé contenant notamment une face en cuivre.
La caractérisation de notre tige prototype a montré que lorsque celle-ci était agitée manuellement, un multimètre montrait qu’une tension apparaissait aux bornes du système. On note une tension de 0.5V environ (Figure 5). Cependant, le multimètre indique que le courant obtenu est strictement inférieur à 0.01μA. La puissance récupérée est donc inférieure à 0.05μW. Par conséquent, le prototype réalisé reste à optimiser pour espérer pouvoir allumer une ampoule LED.
Figure 5. Mesure de la tension aux bornes du système sous agitation manuelle.
Texte écrit par Pascal Loiseau d’après le rapport PIG des étudiants.