Rendre autonome un vélo en énergie

Finale des olympiades de Physique : janvier 2016
Jean-Baptiste HUBER,
Aimé MARCANT,
Julien SPANNEUT,
présentent :
Peut-on rendre un vélo autonome
en énergie ?
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Résumé
Notre projet est de produire un courant électrique suffisant pour recharger la batterie d’un smart phone à l’aide de
piezo collés sur la jante d’une roue de vélo. Nous avons tout d’abord étudié comment le piezo crée de l’électricité
sous l’action d’une pression. Ensuite, pour voir si le projet était viable, nous avons réalisé une route sur laquelle des
piezo en dérivation permettent de produire de l’électricité au passage d’une roue et nous avons cherché à savoir si la
tension produite devait être redressée puis lissée. Enfin nous avons réalisé un prototype de roue et fait un essai non
concluant ce qui nous a conduit à revoir notre projet à la baisse, c'est-à-dire que nous cherchons actuellement à
alimenter l’éclairage LED du vélo. Par ailleurs, nous cherchons aussi à améliorer notre système.
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Introduction
Aujourd’hui, le besoin d’être connecté se fait sentir jusque lors de promenades à vélo : utilisation
d’un GPS ou d’un Smartphone. Comme pour tout le monde, au moment de partir, on s’aperçoit que
l’appareil n’a pas pou plus d’autonomie rendant l’appareil inutilisable.
Partant de ce constat, notre problématique est « Comment rendre un vélo autonome en énergie ? »
La solution existe déjà depuis longtemps avec l’utilisation d’un alternateur couramment appelé
dynamo, mais son utilisation nécessite que le cycliste produise un effort physique supplémentaire
puisque celui-ci convertit l’énergie mécanique en énergie électrique et qu’il y a beaucoup de pertes
par frottements.
On pourrait imaginer d’embarquer des batteries, mais cela ne diffère que le problème puisqu’il faut
alors penser à recharger les batteries…
Après avoir vu le travail d’un groupe des olympiades du lycée sur l’utilisation de piézo pour
fabriquer une dalle lumineuse, nous avons eu l’idée d’utiliser la piézoélectricité pour répondre à
notre problématique.
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I) Piézoélectricité principe
1) Définition et historique :
La piézoélectricité est la propriété possédée par certains corps qui se polarisent électriquement sous l’action d’une
contrainte mécanique.
La première démonstration de l’effet piézoélectrique direct a été réalisée en 1880 par les frères Pierre et Jacques
Curie. Ils prédisent et vérifièrent l’existence de la piézoélectricité sur des cristaux de quartz, de tourmaline, de
topaze…
En 1881, Wilhelm Hankel suggère un mot à cet effet: la piézoélectricité s’inspirant de l’étymologie grecque :
«piézein» , presser, appuyer.
La piézoélectricité resta une curiosité de laboratoire pendant une trentaine d’année, jusqu’à son utilisation dans le
sonar développé par Paul Langevin pendant la première guerre mondiale.
Cette application n’a pu voir le jour qu’avec l’apparition des transducteurs piézoélectriques utilisant aussi l’effet
inverse, c’est à dire la déformation d’un cristal sous l’action d’un champ électrique.
Après la seconde guerre mondiale, le domaine de la piézoélectricité s’est fortement développé avec la fabrication de
cristaux synthétiques; de nouvelles céramiques dites ferroélectriques présentant ensuite un effet piézoélectrique
intense ; puis en 1954 , les zircono titanates de plomb (PZT) et des polymères piézoélectriques dont le premier, le
polyvinylidène difluoré (PVDF)en 1969.
Actuellement, l’utilisation des matériaux piézoélectriques ne se limite plus aux transducteurs piézoélectriques
utilisés essentiellement pour les ultrasons (émetteur/récepteur, la détection d'obstacle (sonar, voiture),
échographies….). On en trouve un peu partout : capteurs de pressions (automobile, pneu ; aéronautique pression
des gaz dans les tuyères…, mesures de niveaux) ; capteurs d’accélération (Smartphone, manettes de jeux Wii …)
moteurs et actionneurs (autofocus de l’appareil photo, vitres électriques….
Elément piézo utilisé pour
toutes nos expériences
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2) Que se passe-t-il quand on presse un piézo ?
Effet direct : L’effet direct de la piézoélectricité est dû à une force exercé sur le piézo qui engendre une déformation
et qui produit une tension.
Au niveau microscopique, si on prend comme exemple le titanate de plomb comme sur le schéma ci-dessous, la
pression exercée sur le cristal provoque le déplacement de l’ion titane dans la maille. Ceci induit une répartition
irrégulière des charges (ici davantage de charges positives en haut qu’en bas) d’où une tension électrique apparait
entre le haut et le bas.
Vérification : nous pressons notre piézo et enregistrons la tension obtenue grâce à une interface d’acquisition
Observation : nous obtenons une tension relativement élevée (jusqu’à 30V), variable et de courte durée (environ
200ms par pression)
Interprétation : la déformation du piézo entraine la production d’une tension variable de courte durée.
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3) Que se passe-t-il si on soumet le piézo à une différence de tension ?
La tension appliquée va créer un champ électrique aux bornes du cristal, les cations de titane de notre exemple vont
migrer vers la borne négative entrainant la déformation du cristal, c’est l’effet inverse de la piézoélectricité ou effet
indirect.
Vérification : Nous avons branché un générateur de tension alternative, à notre matériau piézoélectrique.
Observation : Le son produit possède la même fréquence que la tension d’alimentation.
Interprétation : Sous l’effet d’une tension, un matériau piézoélectrique se déforme
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4) Relation entre tension et pression exercée
Théorie : Antoine Becquerel au début du XIXème siècle a montré la proportionnalité entre la tension produite et la
pression exercée sous la forme U = k.P
(U tension en volt ; P pression en pascal ; k une constante dépendant des caractéristiques du piézo utilisé).
Vérification : Dans un premier temps, nous avons voulu vérifier cette relation.
Pour ce faire, il nous fallait pouvoir mesurer précisément la pression exercée…comment ?
En seconde, nous avions vu que la pression dépendait de la force pressante et de la surface pressée avec la relation :
P = F/S
(P pression en pascal ; F force pressante en newton et S surface en m²)
Donc, nous avons imaginé mettre des masses de plus en plus élevées sur une pastille piézo, enregistrer la tension
obtenu et par calcul retrouver le coefficient de proportionnalité ensuite nous aurions pu comparer notre valeur avec
la valeur théorique.
Système permettant
de transmettre la
Masse marquée
force et de la répartir
Force = poids = mg
sur toute la surface
piézo
Problème : rien ne se passe….on n’observe aucune tension, à peine un soubresaut quand on pose la masse.
Si on veut observer quelque chose, il faut que la pression soit forte et brève.
Idée : nous allons lâcher les masses d’une hauteur quelconque constante et mesurer le pic maximum de tension.
Masse en g pour
une hauteur de 45
cm
50
20
10
5
1
2
3
4
5
10,67 13,33 24,58 24,37 22,04
10,99 9,717 16,94 17,79 9,08
4,477 8,23 17,58 6,319 5,575
3,133 4,088 3,664 3,239 4,407
6
12,16
12,58
12,48
3,027
7
8
13,33 12,21
20,44 21,4
8,442 10,4
3,451 3,027
9
10
Moyenne
12,81
11,2
14,6
1,646
22,35
18
8,761
3,133
16,8
14,8
9,7
3,3
Observation : on s’aperçoit que les valeurs sur 10 mesures sont très aléatoires à cause de la manière selon laquelle la
masse tombe sur le piezo. Néanmoins la moyenne des valeurs donne une tendance qui confirme que la tension
produite dépend de la force pressante et donc de la pression exercée.
La courbe est loin d’une fonction linéaire qui montrerait une proportionnalité entre force et tension mais en réalité,
la masse transmet son énergie cinétique au point d’impact.
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Idée : nous allons lâcher la même masse de différentes hauteurs et mesurer le pic maximum de tension.
Hauteur en
cm pour une
masse de 50g
5
15
25
35
45
75
100
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Moyenne
5,15
16,41
22,78
15,52
10,67
27,07
30
14,18
15,45
25,75
7,155
13,33
7,845
20,17
17,15
7,274
7,69
10,69
24,58
11,21
14,05
7,912
14,39
15,88
14,57
24,37
30
30
15,45
6,319
7,487
30
22,04
13,1
22,41
8,973
27,24
8,655
25,52
12,16
30
30
3,876
7,381
14,39
19,22
13,33
30
19,05
10,67
18,42
16,41
8,276
12,21
25,78
30
8,23
9,823
20
10,86
12,81
11,38
20,09
10,04
7,168
13,28
14,77
22,35
26,47
30
10,2
13.0
14,5
15,7
16,8
21,3
24,6
Observation : on s’attendait à obtenir une fonction linéaire car à une hauteur nulle, il n’y a pas de tension.
C’est peut être du à l’objet posé sur le piezo qui a une masse non nulle et qui « amplifie » la pression sur celui-ci.
Conclusion de la partie I:
Les piézo permettent de générer des tensions relativement élevées mais de très courte durée.
Plus la pression appliquée est grande plus la tension aux bornes du matériau piézoélectrique est grande mais ce qui
compte c’est l’impulsion qu’on donne sur la surface.
Nous pourrons utiliser ce phénomène pour rendre notre vélo autonome en énergie : il suffira de coller des piézo
contre la jante de la roue sous la chambre à air, ainsi en roulant les piézo vont être soumis tour à tour à une pression
et créeront de l’électricité au fur et à mesure de l’avancement. Nous aurons ainsi une source continue d’électricité
(et pas une source d’électricité continue comme nous allons le voir par la suite).
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II)
Piézoélectricité et électricité
1) Tension aux bornes d’un piézo sur EXAO
Expérience : On exerce une pression forte et répétée sur un piézo et on enregistre la tension obtenue grâce à une
console d’acquisition.
Observation : On voit que la tension obtenue est complexe, variable et très courte…, d’où la nécessité pour l’étudier
de multiplier le nombre de piézo.
Remarque :
La partie négative de la courbe sera un handicap vers l’obtention d’une tension continue.
Décision :
Nous allons insérer un pont de diodes après le piézo pour redresser la tension et n’obtenir qu’une composante
positive
2) Tension obtenue après le pont de diode
Cette fois nous n’avons plus de composante négative mais pas de tension continue et toujours des signaux très
brefs.
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Idée :
Pour pouvoir étudier la faisabilité de notre projet, nous avons eu l’idée d’inverser l’étude, c'est-à-dire au lieu de
placer les piézo dans la roue, nous allons d’abord les placer sur une route et y faire avancer la roue de vélo, ainsi
nous pourrons étudier l’électricité produite.
Nous décidons de mettre tous les piézo en dérivation les uns par rapport aux autres et récupérer la tension en bout
de chaîne.
Photo route
3) Tension obtenue sur la route piézo
Ci-dessus 2 enregistrements effectués en faisant rouler la roue sur la route pendant 1s.
On observe que la tension produite est très inférieure aux 30V obtenus à chaque impulsion directe, mais cette
tension devrait être suffisante pour charger une batterie de 3,5V…
Il faut encore redresser la tension pour cela nous allons placer le pont de diodes à la fin de la route en dérivation
avec les piézo.
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Photo avec pont de diodes
4) Tension obtenue sur la route piézo après le pont de diodes
Observation :
L’enregistrement de gauche et obtenue en faisant rouler la roue sur la route. On observe bien une tension variable
toujours positive, la valeur est un peu inférieure à 3V mais on peut espérer que dans notre expérience finale la
pression exercée soit supérieure et donc la tension plus élevée.
Vérification :
Pour vérifier notre hypothèse, nous faisons l’essai avec le pont de diode et des impulsions fortes à intervalles de
temps régulier sur un seul piézo, on observe courbes de droites que les pics sont supérieurs à 5V (saturation) et qu’à
la sortie du pont de diodes(courbe bleue), il n’y a pas de chute de tension par rapport à l’entrée (courbe verte).
Question : doit-on lisser la courbe pour avoir une tension qui ressemble davantage à une tension continue ?
Le lissage s’effectue avec un condensateur qu’on place en
dérivation après le pont de diode
Le condensateur a la capacité de stocker de l’énergie électrique puis
de la restituer au circuit. Ainsi, il se chargera quand la tension sera
croissante et se déchargera quand elle sera décroissante
permettant un lissage de la tension.
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5) Tension redressée et lissée
Courbes obtenues pour différents condensateurs « en essayant de rouler toujours de la même façon ».
Nous avons fait des essais en prenant un condensateur de capacité variable si la capacité est trop petite, courbes
rouge (1nF) et bleue (10nF), alors le lissage n’est pas efficace donc dans ce cas le condensateur ne sert à rien.
Si la capacité est trop grande, on obtient une tension continue mais faible, courbes magenta (10μF) et bleue claire
(1μF) , dans ce cas il est peu probable qu’on atteigne les 3,5V nécessaires.
Ici, la capacités la plus adaptée correspond à la courbe verte (100nF), avec un plus de pression sur les piézo, on
pourrait espérer atteindre les 3,5V.
Problèmes :
1. On observe une chute de tension qui n’est pas souhaitable puisqu’on cherche à avoir au minimum 3,5V.
2. La capacité du condensateur doit être adaptée à l’intervalle de temps entre 2 maximum de la courbe, c’est
relativement facile à réaliser pour notre roue qui roule sur la piste piézo car on avance toujours à la même
vitesse, qu’en sera-t-il lorsque les piézo seront dans la roue qui n’avancera pas toujours à la même vitesse et
toujours beaucoup plus vite que dans notre simulation.
Recherche d’une réponse sur internet :
A l’adresse, http://nononux.free.fr/index.php?page=elec-brico-outils#!elec-brico-outil-lissage-tension, on trouve la
relation suivante pour un lissage :
La formule :
On sait que i=C×dUc/dt (Uc la tension aux bornes du condensateur)
Si on suppose i constant, on a donc I×Δt=C×Δu,
avec Δt la durée entre deux oscillations et Δu la variation de tension aux bornes du condensateur (ou ondulation
admissible).
la durée entre deux oscillations va dépendre de la fréquence de rotation de la roue.
Cela confirme bien qu’il faut adapter la capacité du condensateur à la fréquence d’oscillation de la tension et
donc à la vitesse de rotation de la roue.
Réaction :
Nous décidons donc de ne plus lisser notre courbe d’autant que si la roue tourne plus vite, les pics de tension
devraient être beaucoup plus proche les uns des autres et on devrait naturellement se rapprocher d’une tension
quasi continue ou tout au moins qui ne descende plus trop en valeur.
6) Intensité obtenue
Si nous voulons charger une batterie de téléphone, outre le fait qu’il faille une tension suffisante, il que le système
débite suffisante pour une batterie de 2000mAh.
Donc avec notre route, nous avons essayé de mesurer l’intensité débitée lorsqu’on roule. Le résultat a été très
décevant.
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Conclusion de la partie II:
Nous sommes maintenant en mesure de réaliser une roue qui devrait nous permettre de créer une tension
suffisamment élevée pour charger une batterie de Smartphone, mais avec trop peu d’intensité.
Nous décidons d’abandonner l’idée de charger une batterie et d’utiliser le courant pour allumer des DEL qui servirait
à l’éclairage du vélo ; les DEL nécessitant peu d’intensité..
III) Le vélo autonome en électricité
Idée :
Nous allons coller les piezo à l’intérieur de la jante du vélo et les relier en dérivation par le fil rouge qu’on isolera, le
retour s’effectuant par la masse, car la jante est en métal, les rayons aussi, le cadre du vélo aussi donc à priori, on
pourra récupérer la masse à n’importe quel endroit métallique décapé du vélo.
Modélisation
Pour transmettre le courant du fil rouge à notre chargeur, il faut prévoir un système qui tourne en même temps que
la roue sous forme d’un balai collecteur.
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Le balai collecteur doit être isolé de la masse du vélo
Problème :
1. Les piézo ont du mal à tenir, les soudures lâchent. Il faudrait des piézo souples…il y en a sur internet aux
états unis, c’est cher, compliqué de comprendre s’ils sont suffisamment puissants, s’ils correspondent à ce
qu’on veut faire…nous abandonnons cette idée..
2. La jante relie bien toutes les masses des piézo mais les rayons ne transmettent par le courant jusqu’à l’axe.
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Réaction :
On ajoute un fil pour relier la jante à l’axe de rotation de la roue.
Observation :
Le contact est établi à l’aide d’une soudure mais est-ce que l’axe va transmettre le courant au cadre ?
Décision :
On va mettre en place un second balai collecteur qui frottera sur la jante , ainsi on récupérera 2 fils qu’on relira à
notre pont redresseur sur lequel on pourra normalement charger une batterie
Reste maintenant à replacer le pneu et la chambre sans arracher les soudures, nous sommes allés voir un
professionnel qui possède une machine capable de faire le travail.
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IV)Essai et conclusion:
Premier essai :
Installer les piézo sur la jante a pris beaucoup plus de temps que prévu.
Il a fallu trouver une machine pour remettre le pneu sur la jante sans abîmer les piézo en place.
Problèmes de contacts.
Système de balai collecteur difficile à mettre en place.
Le premier essai a été réalisé en direct lors des sélections académiques, il s’est soldé par un échec : nous avons eu
une très faible tension en insistant.
Nous avons donc redémonté la roue et ressoudé les piézo. Nous réservons le prochain essai au direct….
Amélioration en vue:
En parallèle à notre roue, création d’une nouvelle piste piézo avec une diode branchée en série de chaque piézo
pour éviter que les composantes négatives crées à chaque impulsion viennent abaisser l’impulsion positive suivante,
cela permet de ne garder qu’une valeur positive et supprime le redressement avant charge de la batterie.
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Courbe obtenue avec la route à piézo munis de diodes
On observe bien une tension positive, en augmentant la vitesse de déplacement sur la route, on devrait avoir des
pics plus rapprochés, cela devrait permettre de charge une batterie 3,5 V.
Conclusion :
Notre projet s’inscrit dans une recherche d’optimisation des dépenses énergétiques et du développement des
énergies alternatives. Même s’il n’est pas encore about, les résultats sont encourageants : nous avons une tension
suffisante pour charger une batterie de téléphone et pouvons d’or et déjà allumer des DEL.
La recherche dans le domaine des piezo permettra sans aucun doute de fabriquer des piezo souple plus puissant
rendant notre projet de départ réalisable.
Dans l’avenir, on pourrait rêver d’une roue qui produirait de l’électricité pour recharger la batterie du vélo électrique
sur lequel on roulerait….ainsi la boucle serait bouclée !
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