Rendre autonome un vélo en énergie

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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.