Brevet FR2960715A1 — publié le 20111202

La présente invention relève du domaine de la génération d'énergie. Elle vise plus particulièrement l'alimentation en énergie d'équipements urbains tels que l'éclairage public. Contexte de l'invention et problèmes posés Les équipements urbains tels qu'éclairage ou panneaux de signalisation sont souvent synonymes d'une consommation électrique significative pour les collectivités. Le cas des éclairages publics, allumés en permanence la nuit est à cet égard particulièrement remarquable. Il est connu par ailleurs que le transport et le stockage d'énergie à grande distance de son lieu de production résulte en une déperdition d'une partie substantielle de l'énergie initialement produite. Il existe donc une tendance naturelle à considérer des sources d'énergie localisées au plus près du lieu de consommation d'énergie, pour résoudre le problème précité. Un besoin de trouver des sources d'énergie situées au plus près des équipements urbains s'est donc fait jour au cours des années récentes, et on a vu fleurir des panneaux photovoltaïques associés à divers équipements. De tels systèmes restent onéreux, fragiles, sujets au vol, et d'une puissance limitée. Objectifs de l'invention L'objectif de la présente invention est alors de proposer un dispositif autonome de génération d'énergie couplé à une organe de stockage minimal, adaptable à des chaussées qui soit robuste, d'une grande durée de vie et peu onéreux à installer et à maintenir. Exposé de l'invention L'invention vise en premier lieu un dispositif de production d'énergie comportant des moyens de récupérer une partie de l'énergie d'impact générée par l'appui d'un mobile pesant en déplacement sur une surface, ces moyens comportant au moins une dalle électro-active comprenant une partie inférieure encastrée dans une chaussée, et une partie supérieure, mobile par rapport à la partie inférieure selon un axe prédéterminé et avec une amplitude maximale prédéterminée, les parties supérieure et inférieure étant reliées notamment par au moins un barreau aimanté adapté à coulisser dans une bobine à champ magnétique constant lorsque la partie supérieure se déplace relativement à la partie inférieure. Selon une mise en oeuvre préférentielle, le dispositif comporte en outre un élément de stockage électrique adapté à accumuler l'électricité générée par les dalles électro-actives durant au moins une phase de forte densité de passage de mobiles, et des moyens de restitution d'énergie électrique stockée selon une logique prédéterminée. Selon un préféré de réalisation, le dispositif comporte un ensemble de dalles électro-actives juxtaposées disposées de façon à ce que leur surface supérieure forme un pavage couvrant sensiblement une zone prédéterminée. Selon un premier mode de réalisation, il est adapté à couvrir une partie d'un trottoir, la surface supérieure de chaque dalle électro-active présentant une forme permettant un pavage et des dimensions telles que le pied d'un passant ne chevauche pas généralement plus de deux dalles, c'est à dire que la dimension de la surface supérieure de chaque dalle, orientée selon le sens de marche d'un piéton, soit de longueur supérieure ou égale à la longueur moyenne d'un pied, soit environ 25 à 30 centimètres. Alternativement, il est adapté à être disposé au niveau d'une zone de décélération ou d'accélération sur une route, les dalles ayant des dimensions et caractéristiques adaptées aux mobiles qui les franchissent. Selon diverses dispositions éventuellement mises en oeuvre conjointement, - le dispositif comporte au moins une électronique de transformation destinée ici à récupérer, mesurer, contrôler le courant généré par au moins une dalle, - il comporte un émetteur / récepteur, adapté à transmettre à un centre de commande, des informations relatives au fonctionnement de chaque dalle, à la quantité de courant généré et au niveau de charge des batteries, - il comporte des moyens de transmettre des informations de nombre de mobiles activant les dalles pendant une période de temps prédéterminée. L'invention vise sous un second aspect un dispositif d'éclairage public, comportant un lampadaire à diodes électroluminescentes et un dispositif tel qu'exposé, le groupe de dalles étant dimensionné de manière à ce qu'il soit en mesure de fournir un courant correspondant à la consommation du lampadaire. L'invention vise également un procédé de gestion d'éclairage nocturne d'une rue dotée de dispositif tel qu'exposé, l'allumage du lampadaire étant lié, par détection de mouvement, au passage de chaque mobile sur la zone d'action des dalles électro-actives du dispositif, comportant des étapes suivantes : - stockage d'énergie durant la journée, laquelle comporte un passage nettement plus fréquent de mobiles, générateur d'une quantité d'énergie significative, - la nuit, détection du passage d'un mobile par l'activation d'une dalle, et alimentation pendant une durée prédéterminée du lampadaire associé et des lampadaires les plus proches de celui-ci, par l'énergie générée par le passage du mobile, et par prélèvement sur la charge de la batterie. Brève description des figures La description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple d'un mode de réalisation de l'invention, est faite en se référant aux figures annexées qui représentent : Figure 1 : une vue schématique en coupe d'une dalle selon l'invention, Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention Le dispositif selon l'invention trouve sa place au sein d'une chaussée de type piétonnier ou routier. Dans le présent exemple de mise en oeuvre, le dispositif réalisant une unité de production d'énergie comporte un ensemble de dalles électro-actives 10 juxtaposées disposées de façon à ce que leur surface supérieure 11 forme un pavage couvrant sensiblement une zone prédéterminée. Dans l'exemple décrit ici, cette zone est typiquement de quelques dizaines à quelques centaines de mètres carrés. Elle prend ici la forme d'un trottoir d'une rue passante, dont elle couvre la partie centrale, la plus susceptible de recevoir le passage de piétons. Dans une variante, des dalles 10 sont disposées au niveau d'une zone de décélération sur route, par exemple au niveau d'un péage autoroutier. Ces dalles ont alors naturellement des dimensions et caractéristiques adaptées aux véhicules qui les franchissent. A titre d'ordre de grandeur nullement limitatif, la surface supérieure 11 de chaque dalle électro-active 10 ici considérée dans le cas de dalle adaptée au passage de piétons, présente une forme carrée et des dimensions de 33 centimètre de côté. De fait, ces dimensions sont dictées par le besoin que le pied d'un passant ne chevauche pas généralement plus de deux dalles 10, c'est-à-dire, dans le cas de dalles carrées orientées selon le sens de passage des passants, que le côté de la surface supérieure de chaque dalle soit de longueur supérieure ou égale à la longueur moyenne d'un pied, soit environ 25 à 30 centimètres. Des dimensions de dalles de 25 à 60 centimètres de côté sont envisagées. En variante, la zone d'installation des dalles peut également prendre la forme d'un segment de chaussée d'une route empruntée par des véhicules motorisés de type automobile. Dans ce cas, des dimensions de 50 centimètres de côté, un mètre de côté ou plus sont utilisées, sans que cette mesure ait un caractère limitatif. Dans ces divers cas d'implantation, des dalles 10 présentant une 25 surface supérieure de forme rectangulaire ou hexagonale sont également réalisables. En faisant maintenant référence à la fiqure 1, on constate que chaque dalle 10 comporte une partie inférieure 12 fixe, destinée à être installée à 30 demeure dans le sol d'une chaussée et à y être solidarisée, et une partie supérieure 13, mobile selon une direction prédéterminée, avec un jeu maximal également prédéterminé. Le déplacement vertical maximum de la partie supérieure 13 mobile vis-à-vis de la partie inférieure fixe 12 est de l'ordre de cinq millimètres pour chaque dalle au passage d'une personne, de un centimètre sous le passage d'un véhicule. Dans le présent exemple, la partie inférieure 12 est constituée d'une coque en polymère, de forme sensiblement parallélépipédique lorsque la partie supérieure est de forme carrée ou rectangulaire. Les dimensions typiques de cette coque 12 sont de 30 centimètres de côté et quelques dizaines de centimètres de profondeur dans le présent exemple de mise en oeuvre. Cependant, ces dimensions sont données simplement à titre d'exemple de mise en oeuvre. De façon générale, la hauteur de l'ensemble n'excède les 80 centimètres, de manière à permettre son installation simple au sien d'une chaussée existante, en tenant compte des contraintes de respect des profondeurs réglementaires des réseaux électriques et gaz sous la chaussée. On comprend que cette coque 12 peut être réalisée en tout matériau apte à résister aux intempéries, par exemple acier galvanisé, ou béton. Cette coque est destinée à être encastrée dans la chaussée. Elle comporte des orifices (non illustrés sur les figures) dans ses parois latérales, adaptés à permettre le passage de câbles électriques de puissance ou de commande. Cette coque 12 est chapeautée par un couvercle 13 (qui constitue la partie supérieure de la dalle 10), lequel comporte éventuellement des rebords latéraux 14, de manière à permettre le recouvrement de la dalle 10 par un revêtement 15 identique à celui de la chaussée dans lequel cette dalle doit être implantée. Dans le cas d'un couvercle 13 habillable la profondeur du couvercle est alors de l'ordre d'au moins 5 centimètres, pour permettre des revêtements de type dalle de granit, béton désactivé ou enrobé. Ce couvercle 13 est encastré dans la coque 12 à laquelle il est relié par des ressorts 16 (représentés de façon schématique sur la figure 2). Le tarage des ressorts 16 permet de différencier les utilisations (chaussée piétonne ou lourde telle que rues et routes, arrivées aux péages autoroutiers). Le couvercle 13 est naturellement amovible, de manière à permettre une maintenance du dispositif hébergé dans la coque 12. Chaque dalle 10 comporte au sein de la cavité formée par la coque 12 un barreau aimanté 17 coulissant dans une bobine à champ magnétique constant 18 (illustrés de façon très schématique sur la figure 2). Ce barreau aimanté 17 est relié par son extrémité supérieure 19 au couvercle de la dalle, et la bobine 18 est reliée par son extrémité inférieure à la coque 12, elle même encastré dans la chaussée. Le barreau aimanté 17 est réalisé dans un matériau ferreux, de qualité faible dans le présent exemple pour en diminuer le coût. La bobine 18 inductrice est de faible dimension (inférieure à 10 centimètres) pour en diminuer l'emprise. Le barreau aimanté 17 coulissant est préférentiellement vertical, cependant, il est éventuellement orienté selon un angle correspondant à l'accélération subie de la part d'un piéton ou véhicule en déplacement horizontal sur la chaussée. De cette manière, il est adapté à collecter le maximum d'énergie lors du passage dudit piéton ou véhicule. Dans le présent exemple de mise en oeuvre, on considère un seul couple barreau aimanté 17 / bobine d'induction 18. Il reste cependant clair qu'une configuration comportant plusieurs vérins coulissant est également envisageable. Le dispositif de génération d'énergie comporte également, dans le présent exemple, pour chaque groupe d'un nombre prédéterminé de dalles 10, un organe de stockage passif de type condensateur à forte densité (non illustré sur les figures) de capacité adaptée pour stocker l'énergie produite au cours d'une journée. Cet organe de stockage d'énergie est hébergé au sein de la coque d'une des dalles qui l'alimentent. L'organe de stockage type condensateur étant connu en soi, il est adapté pour résister aux conditions d'environnement régnant sous la chaussée (température, vibrations...), et d'une durée de vie compatible avec un usage lié au mobilier urbain, c'est-à-dire préférentiellement d'au moins quelques années. Les dalles d'un groupe sont reliées ensembles pour constituer une unité de production, le regroupement de plusieurs dalles autonomes permettant une utilisation directe de l'énergie produite par l'ensemble de ces dalles. Dans la mise en oeuvre envisagée préférentiellement, les dalles n'ont pas vocation à être utilisées seules, mais uniquement par unité de production. Chacune des dalles 10 du groupe est reliée par des câbles de type connu à la batterie. Dans une mise en oeuvre préférée, les dalles 10 sont disposées électriquement en série, et la mise en série électrique est réalisée de manière pérenne (par exemple par jonction soudée sous gaine thermorétractable). Le dispositif de génération d'énergie comporte également pour chaque dalle une électronique de transformation (non illustrée) destinée ici à récupérer, mesurer, contrôler (et transformer si nécessaire) le courant généré par la bobine d'induction. Le dispositif peut éventuellement comporter un émetteur / récepteur, adapté à transmettre à un centre de commande, des informations relatives au fonctionnement de chaque dalle, à la quantité de courant généré et au niveau de charge des batteries. De même, des informations de nombre de passants activant les dalles peuvent également être émises. Il est clair que de telles informations peuvent être utiles dans des zones peu fréquentées pour provoquer un éclairage ou une alimentation temporaire de certains équipements, cette alimentation temporaire étant propice à des économies d'énergie. Mode de fonctionnement On comprend que, lors de l'appui d'un piéton ou d'un véhicule en déplacement sur la surface supérieure de la dalle 10, celle-ci subit une accélération et appuie sur le barreau 17 coulissant, provoquant ainsi son déplacement dans la bobine de courant 18. Un courant d'induction est ainsi généré dans ladite bobine 18. De même, lorsque le piéton ou le véhicule cesse son appui sur la surface supérieure de la dalle 10, celle-ci reprend sa place initiale, sous l'effet des ressorts 16. De ce fait, le barreau coulissant 17 se déplace à nouveau au sein de la bobine de courant 18, générant à nouveau un courant électrique. Ce courant alimente, à travers une électronique connue en soi de l'homme du métier (et éventuellement après transformation en courant alternatif) une batterie ou un équipement consommateur d'énergie tel que lampadaire d'éclairage public. La production énergétique par chaque groupe de dalles formant une unité de production étant liée à la fréquentation humaine des lieux considérés, l'éclairage de ces mêmes lieux apparaît comme une utilisation immédiate possible. Dans le cas d'alimentation d'éclairage public, il est clair que celui-ci est favorablement choisi de type à LED, dont la restitution de lumière est forte par rapport à la consommation d'énergie. On comprend que dans le cas d'alimentation de lampes d'éclairage public, il est souhaitable de dimensionner chaque groupe de dalles de manière à ce qu'il soit en mesure de fournir un courant correspondant à la consommation d'un lampadaire. Il apparait ainsi qu'une chaussée n'est pas nécessairement complètement équipée en dalles de génération d'énergie, si la surface de chaussée correspondant au nombre de dalles nécessaires à l'alimentation d'un lampadaire individuel est sensiblement inférieure à la surface de chaussée présente entre deux lampadaires. Le concept d'unité de production implique une surface d'échange estimée, au vu de l'expérience et des puissances d'éclairage nécessaire, à 10m2 pour l'usage des piétons. Cette surface peut être constituée d'un assemblage de dalles à la surface réduite afin de limiter les pertes de transformation des forces de translations obliques du marcheur sur l'espace d'échange. Avantages de l'invention On comprend que le dispositif apporte des avantages majeurs. L'utilisation de l'énergie produite peut être à effet immédiat, si l'on souhaite s'affranchir des contraintes de stockage d'énergie ou des pertes électriques dans les différentes transformations nécessaires à une autre utilisation distante de l'énergie produite (revente à un fournisseur par exemple). Toutefois, la production peut être vendue aux différents réseaux de distribution électrique grâce à des onduleurs nécessaires à la production de courant alternatif. Des composants électroniques de régulation seront nécessaire pour garantir le contrôle de la charge et décharge afin d'éclairer les réverbères (super-condensateur) Un essai a été réalisé avec une unité de production d'une surface de 5 m2. Chaque piéton passant sur cette surface fournit une puissance électrique d'environ 50W pendant 10s soit 500Ws Une puissance unitaire par unité de production de 500Ws est ainsi envisageable. Selon une hypothèse de fréquentation humaine de 2000 personnes / jour dans une zone commerçante de 200m équipée de 16 unités de production composées chacune de 2 aires de 12 m2 comportant un lampadaire central, et ces unités étant composées de 144 dalles de 0.11 m2 chacune, une production journalière de 11 kWh semble envisageable, soit 20 kWh/m2/an. L'éclairage d'une zone de 200m assuré par 8 appareils lumineux de 50W chacun espacés de 25m, soit 400W installés pour 4000 heures d'éclairage par an = 1600 kWh / an nécessaires pour la rue. Sur la base d'appareil d'éclairage de puissance 50W LED implantés régulièrement chaque 25m, une puissance totale de 400W installés pour 4000 heures d'éclairage par an est nécessaire pour assurer l'éclairement d'une zone considérée de longueur 200m. Soit une dépense énergétique annuelle de 1 600kWh pouvant être compensée par la production autonome des unités de production installées dans la même zone considérée. Malgré les pertes électriques réelles et inévitables, on constate qu'il est possible d'alimenter l'éclairage de la zone par la fréquentation estimée. En effet, cette production est largement suffisante pour le besoin de la rue. Considérant la fréquentation de l'espace piéton comme inégale et partiellement aléatoire, il est souhaitable de réfléchir à l'énergie nécessaire stockée pour palier à une fréquentation insuffisante. Ainsi, le stockage d'une énergie suffisante pour assurer le fonctionnement d'un ensemble de production (associant 1 unité de production de surface 10m2 couplée à un appareil de consommation 50W) sur 3 nuits peut être déterminé de la façon suivante : 50W*12h*3 jours = 1,8kWh étendu à 2kWh pour pallier aux différentes pertes en ligne L'expérience montrant qu'un marcheur peut faire fonctionner l'installation pendant 10s pour un temps de marche de 5s, on peut en déduire que l'action physique sur le système permet une production de 1000Ws. On peut donc en déduire que l'action de quelques 7 000 marcheurs est suffisante pour obtenir une charge utile à un fonctionnement sur 3 jours. Variantes de l'invention La portée de la présente invention ne se limite pas aux détails des formes de réalisation ci-dessus considérées à titre d'exemple, mais s'étend au contraire aux modifications à la portée de l'homme de l'art. 10 Dans une variante de réalisation, destinée ici à alimenter un éclairage nocturne de rue, il peut être souhaité de limiter la période d'éclairage au moment du passage de piétons. Dans ce cas, l'éclairage d'un lampadaire est lié, par détection de mouvement, au passage de chaque piéton sur la zone 15 d'action des dalles électro-actives décrites plus haut. Cependant, une éventuelle période d'obscurité entre deux lampadaires étant à proscrire par raison évidente de sécurité des personnes, il est envisageable que dans un premier temps le dispositif stocke de l'énergie durant la journée, laquelle comporte un passage nettement plus fréquent de 20 piétons, générateur d'une quantité d'énergie significative. Dans un second temps, la nuit, le passage d'un piéton est naturellement détecté par l'activation de chaque dalle, et l'alimentation de l'éclairage associé est réalisée à la fois par le passage dudit piéton, et par prélèvement sur la charge de la batterie, ce qui permet d'alimenter par avance 25 les lampadaires connexes, et de poursuivre un certains temps l'éclairage du lampadaire après le passage du piéton, même si cet éclairage consomme plus que la charge générée par son passage, grâce à l'apport des batteries chargées durant le jour. Il est à noter par ailleurs que les détecteurs de mouvement des 30 lampadaires permettent d'avoir un lampadaire qui éclaire avec une puissance de 30 à 50 % de sa puissance maximale lorsque personne ne passe, et bascule sur une puissance de 50 à 100 % lors de la détection d'un individu pendant une durée suffisante à son déplacement sur la zone d'éclairage.5 Il a été mentionné dans la description les cas particuliers de trottoir ou de chaussée routière. Il reste clair que le dispositif tel qu'exposé peut également être adapté à des sols de halls de gare, d'aéroport ou de centres commerciaux, sans modification substantielle. REVENDICATIONS1. Dispositif de production d'énergie caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de récupérer une partie de l'énergie d'impact générée par l'appui d'un mobile pesant en déplacement sur une surface, ces moyens comportant au moins une dalle électro-active (10) comprenant une partie inférieure (12) encastrée dans une chaussée, et une partie supérieure (13), mobile par rapport à la partie inférieure selon un axe prédéterminé et avec une amplitude maximale prédéterminée, les parties supérieure (13) et inférieure (12) étant reliées notamment par au moins un barreau aimanté (17) adapté à coulisser dans une bobine (18) à champ magnétique constant lorsque la partie supérieure (13) se déplace relativement à la partie inférieure (12). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un élément de stockage électrique adapté à accumuler l'électricité générée par les dalles électro-actives (10) durant au moins une phase de forte densité de passage de mobiles, et des moyens de restitution d'énergie électrique stockée selon une logique prédéterminée. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble de dalles électro-actives (10) juxtaposées disposées de façon à ce que leur surface supérieure forme un pavage couvrant sensiblement une zone prédéterminée. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est adapté à couvrir une partie d'un trottoir, la surface supérieure de chaque dalle électro-active (10) présentant une forme permettant un pavage et des dimensions telles que le pied d'un passant ne chevauche pas généralement plus de deux dalles, c'est à dire que la dimension de la surface supérieure de chaque dalle, orientée selon le sens de marche d'un piéton, soit de longueur supérieure ou égale à la longueur moyenne d'un pied, soit environ 25 à 30 centimètres. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est adapté à être disposé au niveau d'une zone de décélération ou d'accélération sur une route, les dalles (10) ayant des dimensions et caractéristiques adaptées aux mobiles qui les franchissent. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une électronique de transformation destinée à récupérer, mesurer, contrôler le courant généré par au moins une dalle (10). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte un émetteur / récepteur, adapté à transmettre à un centre de commande, des informations relatives au fonctionnement de chaque dalle (10), à la quantité de courant généré et au niveau de charge des batteries. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de transmettre des informations de nombre de mobiles activant les dalles (10) pendant une période de temps prédéterminée. 9. Dispositif d'éclairage public, comportant un lampadaire à diodes électroluminescentes et un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, le groupe de dalles (10) étant dimensionné de manière à ce qu'il soit en mesure de fournir un courant correspondant à la consommation du lampadaire. 10. Procédé de gestion d'éclairage nocturne d'une rue dotée de dispositif selon la revendication 9, l'allumage du lampadaire étant lié, par détection de mouvement, au passage de chaque mobile sur la zone d'action des dalles (10) du dispositif, caractérisé en ce qu'il comporte des étapes suivantes :- stockage d'énergie durant la journée, laquelle comporte un passage nettement plus fréquent de mobiles sur les dalles (10), générateur d'une quantité d'énergie significative, - la nuit, détection du passage d'un mobile par l'activation d'une dalle (10), et alimentation pendant une durée prédéterminée du lampadaire associé et des lampadaires les plus proches de celui-ci, par l'énergie générée par le passage du mobile, et par prélèvement sur la charge de la batterie.