Brevet FR2971561A1 — publié le 20120817

L'objet de la présente invention est une dalle électro-active pour la récupération d'énergie des piétons notamment à des fins d'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 un 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 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 électroactive comprenant un caisson adapté à être encastré dans une chaussée, et une partie supérieure, mobile par rapport au caisson selon un axe prédéterminé Z et avec une amplitude maximale prédéterminée, au moins un générateur électrique étant disposé entre la partie supérieure et le caisson, ledit générateur électrique comportant - une partie supérieure mobile verticalement par rapport à une partie inférieure, l'une de ces deux parties étant solidarisée au stator d'un moteur électrique, - des moyens mécaniques de transformer le mouvement vertical relatif des deux parties en mouvement rotatif du rotor dudit moteur électrique. Selon une mise en ceuvre préférée, les moyens mécaniques de transformer le mouvement vertical relatif des deux parties du générateur, en mouvement rotatif du rotor dudit moteur électrique, comprennent une vis sans fin solidarisée au rotor du moteur électrique, ladite vis sans fin étant entraînée en rotation par le déplacement vertical d'un écrou. Selon une mise en ceuvre particulière, le dispositif comporte également un ressort hélicoïdal disposé entre les parties supérieure et inférieure du générateur. 10 Selon une mise en ceuvre 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 15 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 20 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 25 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 ceuvre conjointement, 30 - 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, 35 - 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 électroactives 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 en éclatée des divers éléments constituant une dalle électroactive dans un mode particulier de réalisation, Figure 2 : une vue en perspective du générateur à bras de levier, Figure 3 : une vue en coupe de la dalle montrant les générateurs électromagnétiques à vis, Figures 4a et 4b : deux vues de côté d'un générateur électromagnétique à vis, complet, ou montrant les éléments internes, Figures 5a à 5c : des vues de détails d'un modèle de générateur électromagnétique à vis, en vue en coupe (figure 5a), en vue en perspective d'un détail (figure 5b) et en vue en perspective complète (figure 5c), Figure 6 : un schéma de principe d'un montage électrique utilisant le dispositif de l'invention. Description d'une mode de réalisation 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 ceuvre, le dispositif réalisant une unité de production d'énergie comporte un ensemble de dalles électro-actives 1 juxtaposées disposées de façon à ce que leur surface supérieure 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 1 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 de chaque dalle électro-active 1 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 1, 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 électro-actives 1 présentant une surface supérieure de forme rectangulaire ou hexagonale sont également réalisables. Dans un mode de réalisation décrit ici à titre d'exemple nullement limitatif, les principales caractéristiques du système sont les suivantes : - Nombre de dalles constituant une unité autonome de récupération : de 20 à50; - Dimensions extérieures des dalles (ici de forme carrée, cette disposition étant donnée à titre d'exemple non limitatif) : 330 x 330 x 150 mm (dalles piétonnières) ou 500 x 500 x 200 mm (dalles routières), ou rectangulaire pour véhicule léger, de 2000 x 150 x 200 mm - Enfoncement maximum du plateau mobile : de l'ordre de 5 mm dans le cas des dalles pour voie piétonnière et de 10 mm dans le cas des dalles routières ; - Régulation (ou limitation) du courant de sortie ; - Intensité du courant de sortie souhaité : 350 ou 700 mA (en fonction de l'appareil lumineux utilisé) ; - Tension de sortie : de 18 à 20 V ; - Durée de la phase de récupération (temps cumulé) : de l'ordre de 2 à 3 h par jour ; - Durée maximale de la phase de stockage : 3 jours ; Outre les caractéristiques du cahier des charges fonctionnel à satisfaire, un critère de conception important vise à la recherche d'une solution technologique à faible coût, en vue de la réalisation en grande série du système de récupération proposé L'architecture mécanique d'une dalle électro-active 1 est schématisée sur la figure 1. On reconnaît sur cette figure un revêtement 2 sensiblement carré, une plaque supérieure 3 dotée, en sa face inférieure, de quatre orifices 4 disposés à proximité de ses angles, un plateau 6 et un caisson 5. En configuration assemblée, le revêtement 2 se place sur la plaque supérieure 3, assemblée sur le plateau 6, qui vient se placer juste au dessus du caisson 5. Le caisson 5 héberge, en premier lieu, un générateur à bras de levier 7, disposé ici en partie centrale du caisson 5, sous la plaque supérieure 3. Ce générateur à bras de levier 7 est mieux visible sur la figure 2. Ce générateur à bras de levier 7 est conçu pour le cahier des charges suivants : déplacement maximum de la dalle selon l'axe vertical de cinq millimètres, fréquence des déplacements deux Hz, puissance d'entrée cinq watts. Le principe de fonctionnement du générateur à bras de levier 7 est le suivant. La plaque supérieure 3 est, au repos, en appui, par l'intermédiaire d'un doigt d'appui 10, orienté sensiblement selon l'axe vertical Z, et réglable en hauteur, sur un premier bras 11 d'une barre 12 formant levier, articulée autour d'un axe horizontal 13. Un second bras 14 de cette barre 12, nettement plus long que le premier bras 11 (typiquement dix fois plus long), comporte des aimants 15 en son extrémité son extrémité distante de l'axe de rotation 13. Ces aimants comportent en leur extrémité des indentations ou griffes mobiles 20. Ces aimants 15 sont disposés en regard de pièces en matériau ferromagnétique 16, fixes relativement au caisson 5, par exemple par l'intermédiaire d'un socle 18. Ces pièces en matériau ferromagnétique 16 comportent, face à l'extrémité du second bras 14, un ensemble d'indentations ou griffes 19. Une bobine 17 est disposée au voisinage des pièces ferromagnétiques 16. En fonctionnement, un déplacement de la plaque supérieure 3, généré par exemple par un pas d'un piéton sur ladite plaque supérieur 3, est amplifié par le système de bras de levier afin d'obtenir en bout du second bras 14 un déplacement exploitable pour la génération d'une tension. Le champ magnétique, permettant de créer la tension dans la bobine 17, est généré par les aimants 15 positionnés en bout du second bras 14. Un système de multiplication de la fréquence électrique de variation du champ d'induction magnétique est crée par l'utilisation des pièces ferromagnétiques 16 à griffes 19. Au niveau de la bobine 17, le champ magnétique est canalisé par un noyau ferromagnétique sur lequel est positionnée la dite bobine 17. Le mouvement du second bras 14 de la barre 14 formant levier devant les griffes fixes 19 génère alors une tension au sein de la bobine 17. Les matériaux utilisés pour la fabrication du générateur à bras de levier 7 sont, dans le présent exemple de réalisation, les suivants : - nylon pour le bâti 18 et la barre 14 formant levier, le support des griffes fixes 19, - acier pour le doigt d'appui 10, l'axe pivot 13, le noyau de la bobine 17, - acier galvanisé pour les griffes fixes 19 et mobiles 20, - laiton pour une bague autolubrifiante disposée sur l'axe pivot 13 Le caisson 5 héberge, en second lieu, quatre générateurs électromagnétiques à vis 8. Ceux-ci sont ici disposés aux quatre coins du caisson 5, chacun d'entre eux étant disposé dans l'axe vertical d'un orifice 4 de la plaque supérieure 3. Les générateurs électromagnétiques à vis 8 sont illustrés sur les fiqures 3 à 5c. Chaque générateur électromagnétique à vis 8 est défini pour le même cahier des charges, cité plus haut, que le générateur à bras de levier 7. Chaque générateur électromagnétique à vis comporte en partie haute un toucheau 22 comportant une partie plane et un embout arrondi 21. En partie basse, la base 23 du générateur électromagnétique à vis 8 est fixée sur le bâti du caisson 5. Le toucheau 22 est librement mobile selon l'axe vertical Z vis-à-vis de la base 23. Un ressort hélicoïdal 24, comportant dans le présent exemple non limitatif deux à trois spires, est disposé entre le toucheau 22 et la base 23, ainsi qu'il est illustré sur les figures 4a, 4b, 5a, 5c. Ce ressort hélicoïdal 24 est dimensionné de telle sorte que 1 la force d'appui d'un piéton pesant 100 kg sur une dalle comportant quatre générateurs électromagnétiques à vis 8 n'entraîne pas un déplacement vertical amenant le toucheau 22 en butée. Ce ressort hélicoïdal 24 ramène le toucheau 22 vers le haut en position de repos, après un écrasement du ressort hélicoïdal 8 lié à un appui sur la plaque supérieure 3 par un piéton. Dans une variante utilisant un nombre quelconque N de générateurs 8, c'est la force d'appui du piéton divisée par N qui est naturellement à prendre en compte pour le dimensionnement dudit ressort hélicoïdal 24. A l'intérieur du toucheau 22 est disposé un écrou 25 dans lequel une vis sans fin 26 vient se mouvoir (voir figure 5a). L'écrou 25 et la vis sans fin 26 sont disposés selon l'axe vertical Z. La vis sans fin 26 ne peut se mouvoir verticalement vis-à-vis de la base 23. La vis sans fin 26 est par contre solidarisée à la partie mobile d'un roulement à bille, dont la partie fixe est solidarisée à la base 23 du générateur 8. De ce fait, lors d'un mouvement vertical du toucheau 22, l'écrou 25, entraîné vers le bas selon l'axe vertical Z, provoque une rotation de la vis sans fin 26 autour de cet axe vertical Z. La vis sans fin 26 entraîne en rotation l'axe 29 du rotor 27 d'un moteur électrique. Cet entraînement est réalisé grâce à un roulement et un accouplement disposés entre la vis sans fin 26 et l'axe du moteur 29. En variante, il est possible d'intégrer directement un dispositif de vis sans fin dans l'engrenage du moteur afin de réduire la hauteur du générateur et supprimer l'accouplement. Le stator 28 de ce moteur électrique est solidarisé à la base du générateur électromagnétique à vis 8. Le principe de fonctionnement d'un générateur électromagnétique à vis 8 est le suivant. Avant appui d'un piéton, la plaque supérieure 3 de la dalle électro-active 1 est en contact avec le toucheau 22 de chaque générateur électromagnétique à vis 8. Un déplacement linéaire vertical de la plaque supérieure 3 est transformé en mouvement rotatif par le dispositif de vis à billes 25, 26. La vis sans fin 26 est solidarisée avec l'arbre du moteur électrique, entraînant ainsi le rotor 27 en rotation. Le moteur électrique est utilisé en fonctionnement générateur. Il alimente dans le présent exemple une batterie 9. La chaîne cinématique de ce générateur électromagnétique à vis 8 et les composants utilisés lui confèrent un très bon rendement énergétique. Le développement de ce générateur électromagnétique à vis 8 est basé sur l'utilisation de composants sur « étagère », en ce qui concerne les vis à billes 25, 26 et le moteur 27, 28. La fiqure 6 illustre un schéma de principe d'une électronique de conversion associée à un ensemble de dalles électro-actives telles que décrites plus haut. On considère le cahier des charges suivant, lié aux besoins d'utilisation - Puissance en sortie du générateur en fonctionnement continu = 4.1W - Tension de sortie alternative maximum = 3V - Courant de sortie maximum = 2.12A - Résistance de sortie du générateur = .05 Ohm - Fréquence des signaux = 2Hz Le principe de fonctionnement est le suivant : La tension de sortie d'un générateur à bras de levier 7 ou d'un générateur électromagnétique à vis 8 est redressée par un pont double alternance 30. Une capacité de stockage Cl, visible sur la figure 6, est dimensionnée afin de favoriser le rendement du système, en garantissant une large plage de conduction du courant. Un convertisseur de type DC/DC boost 31 connu en soi, d'une puissance de sortie moyenne de 3W et transitoire maximum de 5W, permet d'extraire l'énergie de la capacité de stockage Cl, à partir d'une tension de 0.9V (et jusqu'à 5V environ) vers un bus de stockage BUS DC 2 régulé à 5V. Le chargeur de batterie 32 est un composant dédié aux batteries de type Lithium-ion et permet une bonne gestion de la charge de la batterie 9. Deux diodes D2 et D3 permettent d'améliorer le rendement du convertisseur DC/DC boost 31. En effet, si l'électronique est en charge, et que le BUS DC 1 est chargé par des activations liées à des passages de piétons, le courant de sortie est fourni directement par le BUS DC 2. Le courant de sortie du chargeur de batterie 32 est alors uniquement dédié à la charge de la batterie 9. La batterie 9 ne fournit du courant que si la tension de la capacité de stockage Cl est inférieure à 0.9V, ce qui limite les cycles de charge et de décharge rapprochées de la batterie, et augmente sa durée de vie. En cas de panne du système en circuit ouvert, ou de non charge de la batterie 9 (si aucune personne ne marche sur la dalle), une diode Dp permet un passage de courant. Le nombre de dalles électro-actives 1 que comprend une unité de production est lié à la tension de la batterie Lithium-ion 9, qui varie de 4.2V à 3.7V. Suivant cette variation de tension batterie, cinq dalles électro-actives 1 sont ici installées en série pour créer une unité de production, afin d'alimenter un panneau à diodes électroluminescentes avec une tension comprise entre 18V et 24V. Un contrôleur de diodes électroluminescentes peut être intégré dans la dernière électronique de sortie, mais il peut préférentiellement être intégré dans le panneau à diodes électroluminescentes. Un modèle théorique a été établi pour déterminer les performances de cette nouvelle structure de générateur. Ce modèle prend en compte : - la raideur du ressort. - le facteur de conversion de la vis à billes (lien translation/rotation). - la constante de force électromotrice du moteur (lien rotation/tension). - les masses mises en présence dans la chaîne (rotor, vis,...) Le modèle permet d'étudier différentes configurations : Un piéton qui marche au centre de la dalle. Un piéton qui marche sur un angle de la dalle. Une dalle soumise au poids d'un véhicule. Un piéton générant un enfoncement sec sur la dalle (équivalent à un bond). Les résultats de simulation effectués avec quatre actionneurs par dalle sont alors les suivants : Un piéton de 70 Kg exécutant un pas au centre de la dalle produit une charge totale de la batterie de 0.88 J. Le même piéton exécutant un pas sur le bord de la dalle produit une charge totale de la batterie de 1.35 J. Le même piéton exécutant un enfoncement au centre de la dalle produit une charge totale de la batterie de 1.10 J. Le même piéton exécutant un enfoncement sur le bord de la dalle produit une charge totale de la batterie de 1.60 J. De même, les résultats de simulation effectués avec un seul actionneur par dalle sont les suivants : Un piéton de 70 Kg exécutant un pas au centre de la dalle produit une charge totale de la batterie de 1,20 J. Le même piéton exécutant un pas sur le bord de la dalle produit une charge totale de la batterie de 1.45 J. Ces résultats de simulation du modèle global sont en accord avec les spécifications définies pour la charge de la batterie lithium-ion et par conséquent l'alimentation d'un luminaire à diodes électroluminescentes. 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. Dans une variante de réalisation, la dalle électro-active comporte uniquement des générateurs électromagnétiques à vis 8, et pas de générateur à bras de levier 7. dans un mode de réalisation plus particulier, un seul générateur électromagnétique à vis 8 est installé dans chaque dalle électro-active, ce qui permet la réalisation de modules de faibles dimensions. Dans ce cas, les dalles sont réalisables sous forme de pavé de type 15 x 15 cm. 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 comprenant un caisson (5) adapté à être encastré dans une chaussée, et une partie supérieure (3), mobile par rapport au caisson (5) selon un axe prédéterminé Z et avec une amplitude maximale prédéterminée, au moins un générateur électrique (8) étant disposé entre la partie supérieure (3) et le caisson (5), ledit générateur électrique comportant - une partie supérieure (22) mobile verticalement par rapport à une partie inférieure (23), l'une de ces deux parties étant solidarisée au stator (28) d'un moteur électrique, - des moyens mécaniques (25, 26) de transformer le mouvement vertical relatif des deux parties (22, 23) du générateur (8), en mouvement rotatif du rotor (27) dudit moteur électrique. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens mécaniques (25, 26) de transformer le mouvement vertical relatif des deux parties (22, 23) du générateur (8), en mouvement rotatif du rotor (27) dudit moteur électrique, comprennent une vis sans fin (26) solidarisée au rotor (27) du moteur électrique, ladite vis sans fin (26) étant entraînée en rotation par le déplacement vertical d'un écrou (25). 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte également un ressort hélicoïdal (24) disposé entre les parties supérieure (22) et inférieure (23) du générateur (8).