4.1. Paramètres physicochimiques du milieu de vie du poisson électrique18
4.3.5. Evaluation du rendement énergétique
Malapterurus electricus sur lequel nous avons évalué les paramètres électriques a une taille de 15 cm avec un poids de 64,9 g. La tension de l’énergie produite par le poisson électrique lorsque les électrodes sont chacun à 25 cm du poisson est de Ed =4V et deET =25V au maximum lorsque les électrodes sont placées sur son corps sous une excitation moyenne en une durée d’une seconde.
Le rendement global est : %= ×100
Par rapport aux valeurs précédentes, nous avons un rendement de 16 %.
La puissance perdue par mètre selon la conductivité σ de l’eau est :
σ I2
pp = [W/m].
Pour minimiser cette perte et améliorer le rendement énergétique, il faut placer les électrodes le plus proche possible du poisson électrique. Pour une position d’un centimètre entre les électrodes et le corps du poisson électrique on a une tension d’environ 17 V soit un rendement de 68 %.
CHAPITRE 5 : C C ON O N CE C EP PT TI IO ON N D D ’U ’ U N N MO M OD DE EL LE E DE D E B B AS A S E E D’ D ’U UT TI IL LI IS S AT A TI IO ON N D DE E L LA A D D EC E CH H AR A RG GE E E EL LE EC C TR T R IQ I QU UE E
Le poisson électrique produit de l’énergie électrique utilisable (photo 7).
Lorsque cette énergie produite est optimisée en temps régulier et en tension électrique d’environ 20 V avec un courant de 2 A, elle peut servir pour quelques besoins en énergie électrique.
Cependant, certains poissons électriques des eaux douces émettent en permanence des impulsions de quelques volts ayant un rôle d'électrolocalisation et d'électro-communication [15].
Le système électronique proposé pour l’utilisation de l’énergie du poisson électrique est prévu pour les petites charges de puissance consommable d’environ 200 W par jour. Ce qui correspond à une utilisation de 5 lampes économiques de 36 W avec la possibilité de recharger un téléphone portable ou d’allumer un poste radio.
Certes pour avoir cette puissance, il suffit d’avoir au minimum une durée des décharges électriques par jour égale à 10 heures. Dans ce cas le niveau de charge de la batterie serait de 12 Ah pour un courant de charge de 1,2 A. La possibilité d’avoir ce minimum de tension découle du fait qu’il est possible de mettre plus d’un poisson électrique dans le même aquarium avec une isolation par des grilles. Dès lors la communication entre les espèces sera régulière et il découle donc une augmentation de la puissance de la décharge stockable.
Parmi les poissons électriques d’eau douce existants au Bénin, le choix est porté sur Malapterurus electricus. Malapterurus electricus est un poisson chat électrique qui a la capacité de produire de forte décharge électrique, cependant il a la possibilité dans un groupe de communication électrique de supporter les fortes décharges électriques résultantes. Par contre les autres catégories de poissons électriques qui ne produisent que de faibles décharges électriques seront paralysés par la forte décharges électriques résultante au cours d’une communication électrique entre les spécimens dans un même aquarium. Un poisson électrique a une durée de vie très longue s’étend au moins à 12 ans lorsqu’il vit dans de bonnes conditions [11].
Photo 7 : Allumage d’une LED à partir de la décharge électrique du Malapterurus electricus Source : Cliché Zonou, 2009
Le schéma synoptique de la figure 23 présente l’une des possibilités d’utilisation de la décharge produite par les poissons électriques. Il a été proposé à partir de notre analyse à travers les différents paramètres électriques de nos résultats de mesures et ceux d’autres auteurs.
13-23 V
15v 12-11 V
Bloc capture d’energie
Chargeur haute
fréquence à filtre intégré Accum ulateur d’energie électrique
Onduleur stable en fréquence
Sortie 220V 50Hz
= Interrupteur à fusible intégré
Figure 23: Schéma synoptique conçu pour le stockage et l’utilisation de la décharge du poisson électrique au Bénin
Source : Zonou
5.1. Dispositif de capture de la décharge électrique
Le dispositif pour capter l’EOD est composé de l’aquarium, du poisson électrique, d’une cage cylindrique en grille plastique, des électrodes et une plaque sur laquelle sont fixés les fils conducteurs provenant des électrodes. L’aquarium en verre transparent a pour dimension 60 x 30 x 33 cm3 avec une épaisseur de 0,31 cm.
diamètre [7]. Le choix de ce type d’électrode est avantageux dans la mesure où l’argent un métal bon conducteur d’électricité et la couche Agcl empêche l’oxydation rapide de l’électrode dans l’eau. L’entretien des électrodes qui consiste à les nettoyer avec de l’eau propre est recommandé au plus tous les trois (3) jours. Les électrodes sont positionnés le plus proche possible du poisson électrique pour obtenir un bon captage d’énergie. La source considérée est soit Electrophorus electricus ou Malapterurus electricus parce qu’ils sont les deux poissons électriques qui peuvent produire une puissance la plus exploitable et qui peuvent également vivre dans les eaux douces. Mais nous proposons que Malapterurus electricus qui est le seul poisson électrique produisant de forte décharge le plus disponible dans les cours d’eau douce du Bénin. L’un des électrodes est fixé à la queue du poisson électrique et le second est plongé au milieu du bac comme l’indique la figure 24.
Cette manière de positionnement des électrodes tient compte du comportement du poisson électrique dans l’aquarium et est nécessaire pour minimiser les pertes d’énergie électrique dû à la grandeur de la résistance de l’eau. La plaque sur laquelle est fixée les électrodes sert pour lier la source au bloc chargeur et une LED témoin signal la présence de l’énergie électrique lors de la décharge du poisson électrique.
Pour rendre les décharges plus régulières, il faudra de mettre plus d’un poisson électrique dans le même aquarium tout en les séparant par des grilles isolantes. Ce regroupement permettra une communication électrique tout en empêchant qu’ils se mangent.
Figure 24: Dispositif de capture de l’EOD
connecteurs Résistance
Led temoin d’énergie Électrode fixée
à la queue Électrode au centre
de l’aquarium Cage en
plastique troué
5.2. Dispositif de traitement de l’EOD
Le dispositif de traitement de la décharge est le chargeur de batterie à signal d’entré haute fréquence et à filtre intégré conçu avec peu de composant afin de minimiser les pertes d’énergie électrique. Il est constitué de deux principaux blocs.
Le premier désigne le circuit de filtrage des signaux et le second bloc est constitué d’un régulateur de tension avec limitation du courant maximum de charge.
5.2.1. Circuit de filtrage
La figure 25 présente le bloc de redressement des différents signaux électriques provenant de la source d’énergie électrique qu’est le poisson électrique.
Le signal redressé est ensuite filtré par les condensateurs de filtrage.
Figure 25: Circuit de redressement et de filtrage Source : Zonou
Lorsque le poisson électrique se met à faire des décharges régulières pour sonder son environnement, le dispositif de captage de la décharge conduit l’énergie à travers le circuit de redressement vers le bloc de filtrage. Le pont de diode regroupant D1, D2, D3 et D4 redresse le signal d’entrée à une alternance positive aux bornes des condensateurs de filtrage. La variation des harmoniques trop importante de la tension générée est bien filtrée par les condensateurs C1, C2. Ces condensateurs inhibent les microcoupures de la tension provenant de la source pour donner à l’entrée du bloc de régulation une tension continue E. La valeur des composants a été calculée et est présentée dans le tableau V.
5.2.2. Régulation de tension avec limitation de courant de charge
La source du courant de charge est le poisson électrique qui donne des décharges électriques variantes en amplitude. Le circuit de charge est doté du bloc (figure 26) de régulation et d’un potentiomètre Rp1 pour pouvoir maintenir au niveau de la batterie un courant de charge dans les limites acceptables. Le régulateur est principalement nommé dans notre circuit Reg.
Par ailleurs le régulateur offre assez de possibilités et peut supporter d’important courant. Il donne à sa sortie une tension fixe de 15 V avec une limitation de courant de sortie de 2,2 A. Nous contrôlons le courant de début de charge à partir du potentiomètre Rp1. Le dimensionnement des composants du circuit a été fait avec une bonne marge pour garantir une bonne durée de vie du circuit et pour assurer un courant de début de charge au maximum de 1,9 A par rapport à la capacité de la batterie choisie.
Figure 26: Circuit de régulation et de limitation du courant de charge Source : Zonou
5.2.3. Présentation du circuit complet de charge
La figure 27 regroupe tout le circuit de recharge de la batterie. Il reçoit une tension électrique Ue pouvant variant entre 13 et 23 V. La tension Ue variable reçue peut être alternative ou quelconque mais doit être dans une marge d’amplitude entre 13 et 23 V.
Figure 27: Circuit complet du bloc de recharge de la batterie Source : Zonou
5.2.4. Dimensionnement des composants
Les valeurs des composants sont calculées en suivant une bonne optimisation entre le courant que peut supporter chacun d’eux, la puissance dissipée, le meilleur courant de charge pour garantir une longue vie de la batterie et du circuit.
Calcul et choix des diodes : le courant maximal de ligne du circuit est de 2 A environ. Cependant la valeur des diodes proposées pour le redressement (tableau VI) supporte un courant jusqu’à 3 A et une tension de polarisation inverse jusqu’à 400 V. les autres paramètres nécessaires sont aussi respectés dans le choix du composant.
Choix des condensateurs de filtrage : la tension aux bornes d’un condensateur dans le circuit peut s’approximer par u(t)=Uo(1−
e
−1)e
−t/τ avec=RC
τ la constance de temps, R la résistance équivalente en parallèle avec les condensateurs de capacité total C. La fréquence du signal d’entrée du circuit est élevée (250 et 300 Hz), par conséquent la période est faible devant la constante de temps pour une valeur de la capacité total de l’ordre de 2 x 47 uF. Nous avons dans ce cas
e
−t/τ →1, la tension d’entrée est bien filtrée et nous avons un signal continu. Le choix des condensateurs tient compte également au moins du double de la tension qui vient à leurs bornes dans le circuit.Choix des résistances: le courant maximal sortant du régulateur est fixé à 2 A. la tension de sortie du régulateur est fixé à 15 V environ.
R Us , E désigne la tension de la batterie. La valeur
normalisée est de R3 =2,2Ω
Calcule de R1
Us= + + alors en prenant la valeur initiale du potentiomètre à zéro on
a : = − = − =180Ω peuvent supporter et aussi de la puissance perdue.
Les caractéristiques des composants sont présentées dans les tableaux V et VI.
Tableau V : Valeurs calculées et normalisées des résistances du circuit de charge
composants Rp1 R1 R2 R3 Tableau VI : Valeurs calculées et normalisées des composants du circuit de charge
composants C1, C2, D1,D2, D3,
simulation de différents blocs
Le circuit proposé pour charger une batterie à partir de la décharge du poisson électrique a été fait avec toutes les rigueurs pour qu’à la phase de sa réalisation, les résultats attendus pourraient être les plus proches possibles de la conception. Les courbes des figures 28 et 29 simulent les deux types de décharge qu’émet souvent Malapterurus electricus du Bénin. Cette tension d’entrée Ue a une amplitude variante entre 13 V et 23 V avec une fréquence oscillant entre 250 et 300 Hz.
La figure 30 présente la simulation du signal électrique sortant du bloc de redressement et après filtrage par les condensateurs on obtient la courbe de la figure 31. Nous observons bien sur la figure 31 que le signal est bien filtré et débarrassé de différents harmoniques. Le signal électrique qui provient du bloc de filtrage est régulé à 15 V par le bloc de régulation pour sortie le signal électrique présenté dans la figure 32. Le signal de sortie du bloc de régulation a une tension d’environ 15 V et un courant maximal 1,8 A contrôlable par le potentiomètre Rp1. Toute la simulation a été faite par le logiciel de simulation des circuits électriques Multisim 9.
Vers la fin de la recharge de batterie, la différence de potentiel aux bornes de la batterie s’élève jusqu’à 13,8 V environ. Cette dernière valeur fait chuter le courant de charge automatiquement. Cependant la batterie est dans ce cas sur le courant de maintient de la recharge. Ce courant de l’ordre de quelques milliampères n’et pas destructif pour la batterie.
Figure 28: Courbe de simulation de l’impulsion positive Source : Zonou
Figure 29: Courbe de simulation de l’impulsion négative Source : Zonou
Figure 30: Simulation du signal provenant du redresseur (13 V-23 V) Source : Zonou
Figure 31: Signal filtré par le bloc du circuit de filtrage (12 V-22 V) Source : Zonou
Figure 32: Tension de sortie du circuit régulateur (15 V, Imax=2 A) Source : Zonou
5.3. Dispositif de stockage de l’énergie électrique produite
Le dispositif qui sert à stocker la décharge du poisson électrique avant d’être réutilisée en énergie électrique est une batterie d’accumulateur. C’est un ensemble d’accumulateurs reliés pour emmagasiner l’énergie électrique durant l’opération de charge pour la restituer par la décharge. Il se comporte donc en un premier temps comme un récepteur puis par la suite à un générateur. Il existe plusieurs types d’accumulateurs (tableau A3, annexe). Toutefois, notre choix portera sur l’accumulateur au plomb ACD ou VARTA (photo 8). Les caractéristiques de cet accumulateur sont présentées dans le tableau VII.
Tableau VII : Caractéristiques de la batterie ACD
.
Photo 8: Batterie au plomb Source : cliché Zonou
L’accumulateur au plomb ACD ou VARTA a les avantages ci-après :
Avantages
Le montage en plaques planes épaisses, assure une excellente aptitude aux cycles et prolonge la vie des batteries.
L’utilisation pour les grilles d’alliage spécifique à très faible taux d’antimoine limite la consommation d’eau et l’autodécharge, simplifie la maintenance et améliore la longévité des batteries, même en atmosphère chaude.
Capacité nominale C10
50 Ah
Encombrement 260 x 174 x 238 mm Poids sèche 12,10 Kg
Volume d'acide 6,60 litres
Densité 1,28
Autodécharge < à 25 % après 6 mois Grilles Épaisseur > à 2 mm
Grilles Pb 1,8 % Sb Plaques Oxyde Friction – Pb
99,99
La présentation en bac polypropylène translucide permet un contrôle visuel rapide du niveau d’électrolyte.
La batterie est présentée en version «chargé sec» (c’est à dire batterie prête à l’emploi, l’acide étant à part). Il n’y a pas d’autodécharge lors d’un stockage d’énergie électrique prolongé.
Toutes ces caractéristiques font de la gamme la solution appropriée, propre et sûre pour tous les besoins domestiques ou professionnels.
Pour mettre en service la batterie pour une première utilisation, quelques démarches sont à suivre.
Mise en service de la batterie
La mise en service de la batterie commence par son remplissage de manière à ce que le niveau d’électrolyte affleure le couvercle. Ensuite la batterie est laissée au repos 30 minutes (imbibition des éléments). En Outre un réglage du niveau d’électrolyte 30 à 40 mm en dessous de la surface du couvercle est recommandé et enfin on peut procéder à la mise en charge, au minimum deux heures à une tension de 14,70 volts.
Entretien de la batterie
Pour garantir une longue durée de vie d’une batterie il est nécessaire de lui faire un bon entretien. La tension circuit ouvert, c’est-à-dire sans courant de décharge, d’un élément contenant une solution d’un poids spécifique de 1,28 est d’environ 2,1 V. Lorsque la batterie débite du courant, l’effet de la résistance interne de chaque élément peut faire descendre la tension jusqu’à 2 V et moins.
Il est indispensable, pour un bon entretien de la batterie, de contrôler le plus souvent possible le niveau de la solution électrolytique, surtout après une longue période d’inactivité.
Au cours du fonctionnement de la batterie, l’acide sulfurique présent dans l’électrolyte ne s’use jamais (sauf en cas de renversement accidentel ou de cassure du bac qui est fragile).
En revanche, l’eau de la solution est sujette à l’évaporation, d’où la nécessité de rétablir le niveau de l’électrolyte en ajoutant périodiquement, une fois par mois, de l’eau distillée de préférence.
L’eau distillée doit être ajoutée dans une batterie au repos et froide (20 °C) jusqu’à recouvrir les séparateurs d’environ 3 mm. Si la batterie est chargée à fond, par exemple après un long parcours, il faut que la hauteur de la solution dépasse de
Le contrôle peut s’effectuer en utilisant un tube de terre d’un diamètre de 5 à 8 mm, que l’on introduit dans un élément, jusqu’à ce qu’il repose sur les séparateurs. On obture du doigt l’extrémité supérieure du tube, on l’extrait et on vérifie alors la hauteur de la solution au-dessus des séparateurs. Cette opération est répétée pour chacun des éléments.
L’eau distillée doit être contenue dans des récipients en terre ou en matière plastique bien propre. Les entonnoirs et les baguettes qui viennent en contact avec l’eau distillée doivent être de même matière et jamais en métal.
La batterie doit être toujours propre et sèche, surtout sa partie supérieure. Il faut éviter d’introduire des détritus ou des poussières à l’intérieur des éléments car les impuretés, en accélérant la sulfatation de la batterie, en raccourcissent considérablement la durée d’utilisation. Les bornes et les cosses doivent être nettoyées soigneusement.
Il ne faut jamais taper sur les cosses, car on risque de provoquer des fissures dans le bac. Elles doivent être nettoyées et recouvertes de vaseline pure fluide, jamais de graisse (car elle peut à la longue rendre les cosses isolantes).
Chaque élément est muni d’un bouchon à pression, à travers lequel il est possible de contrôler le niveau de la solution électrolyte. Ce bouchon est muni généralement d’un petit trou qui permet la sortie des gaz résultant de différentes réactions chimiques. Si ce trou est bouché par des détritus, les gaz n’ont plus la possibilité de sortir et créent, à l’intérieur de l’élément, une pression qui peut s’avérer nuisible. Il convient donc de vérifier qu’il est bien libre chaque fois qu’on inspecte la batterie.
Avant de mettre la batterie en charge, il est conseillé d’enlever complètement ce bouchon et de couvrir l’ouverture avec un petit chiffon car le phénomène d’ébullition qui se produit vers la fin du processus de charge, impose la présence d’une ouverture suffisante pour permettre la sortie batterie des gaz qui se dégagent en quantité importante.
Chaque batterie doit être chargée en respectant les indications fournies par le fabriquant: par défaut, il faut utiliser un courant de charge équivalant au plus au dixième de la capacité de la batterie. En outre, il faut rappeler qu’en aucun cas le courant de charge ne doit être trop intense de la solution et que la température de l’électrolyte ne doit jamais dépasser 52 °C.
En pratique, bien qu’il ne soit pas possible d’établir avec une rigoureuse exactitude à quel moment la charge peut être jugée complète, on interrompra généralement le courant lorsque la solution électrolyte semble bouillir avec certaine intensité.
Rappelons que l’hydrogène est un gaz fortement combustible et que, combiné à l’oxygène, il peut constituer un mélange explosif très dangereux. Il faut donc éviter d’approcher une cigarette allumée d’une batterie en charge ou de provoquer des étincelles électriques à proximité immédiate: en effet, dans un cas comme dans l’autre, on pourrait provoquer l’explosion du mélange, avec les conséquences désastreuses qu’on imagine.
5.4. Dispositif de la mise en service de l’énergie stockée
L’énergie électrique provenant du poisson électrique stockée peut être ensuite utilisée à partir d’un onduleur électrique. Cet équipement permet, à partir d'une source qui fournie une tension de 12 V en continu, d'alimenter des appareils électriques classiques fonctionnant sur le courant domestique de tension 230 V alternative avec une fréquence fixe de 50 Hz. L’équipement a trois bornes pour le signal d’entrée (la borne positive, la borne négative et la terre) et trois bornes pour le signal de sortie (la phase, la masse et la terre).
Par ailleurs, en dehors de l’onduleur de la Photo 9, il existe d’autres onduleurs qui peuvent être adaptés selon les besoins.
Puissance en continu : 300 W Puissance en pointe : 450 W Rendement : 90 %
Consommation à vide à 12 V : < 0.65 A Fréquence en sortie : 50 Hz +-1%
Tension de sortie : 230 V
Normes CE : EN60650, EN6100-4-2, ENV50140, EN55014 et EN50091
Normes CE : EN60650, EN6100-4-2, ENV50140, EN55014 et EN50091