Chapitre 3 – Etude d’un récupérateur d’énergie résonant au format pile AA
2 Mesures des performances en situation de course à pied
2.1
Puissance électrique
Dans un premier temps, la sortie commune des « redresseurs-doubleurs parallèles » est chargée par deux résistances de valeur 𝑅𝑐 = 200Ω ; cette valeur de résistance arbitraire correspond à celle des
bobines. La part de la puissance électrique récupérée par les deux charges 𝑃𝑐 sur la puissance
électrique produite totale 𝑃𝑒 vaut ainsi environ 50%. Les performances électriques du dispositif
sont mesurées sur des échantillons de 50 secondes.
(a) (b)
FIGURE 4-11–Schéma du circuit « redresseurs-doubleurs parallèles », avec deux charges résistives 𝑅𝑐 à la sortie commune. Les bobines sont représentées suivant le modèle source de tension (f.é.m. 𝑒)
variable en série avec une inductance propre et une résistance propre 𝐿𝑏 et 𝑅𝑏. (b) Représentation
« compacte » de ce circuit.
2.1.1 Impact du rail ferromagnétique
En premier lieu, l’impact du rail ferromagnétique a été étudié. Tout d’abord, le générateur a été agité manuellement de façon à entraîner la bille à vitesse 𝑣𝑏𝑖𝑙𝑙𝑒constante, et la puissance
électrique totale extraite en moyenne 𝑃𝑒 (pertes Joule + charge) a été évaluée. Par analogie avec le
modèle général du générateur rotationnel (section I-2.1), il est possible de définir un coefficient d’amortissement électrique « effectif » 𝑐𝑒,𝑒𝑓𝑓 :
ce,eff=
Pe
vbille2 (4-11)
Ce coefficient a été estimé à environ 0.007 N.s/m pour le dispositif sans le rail ferromagnétique, et à 0.04 N.s/m après ajout du rail : ce dernier permet une amélioration significative du couplage électromécanique, comme attendu.
Dans un second temps, le générateur a été fixé au bras d’une personne courant sur un tapis roulant à des vitesses fixes modérées (entre 4km/h et 8 km/h), et la puissance moyenne 𝑃𝑐 reçue
par les deux résistances a été relevée (FIGURE 4-12a). Dans le cas du générateur sans rail
ferromagnétique, celle-ci varie de 0.5mW à 0.8mW. En revanche, l’ajout du composant ferromagnétique permet de démultiplier la puissance électrique, qui est alors comprise entre 1.8mW (à 4km/h) et 4.8 mW (à 8 km/h). Cette dernière valeur est cohérente avec l’ordre de
110
grandeur de 4mW déterminé lors de la simulation du modèle général de générateur rotationnel de dimensions semblables à celles du prototype (voir FIGURE 4-4c). L’écart entre les résultats des deux
configurations illustre l’importance du phénomène de « couple d’induction » discuté précédemment, et la pertinence du rail ferromagnétique comme solution. La forme du courant électrique circulant dans les résistances dans le cas du générateur avec rail ferromagnétique est illustrée FIGURE 4-12b. Elle est composée de « paquets » discontinus atteignant 20mA, répétés à
environ 2.5Hz : cette fréquence correspond aux chocs des pas et aux mouvements de balancier des bras, stimulations qui permettent de surmonter le frottement statique accentué par la présence du rail.
(a) (b)
(c)
FIGURE 4-12– Mesure de la puissance électrique moyenne 𝑃𝑐 reçue dans la charge résistive (formée des deux résistances 𝑅𝑐=200Ω). (a) Comparaison des performances du système avec et sans rail
ferromagnétique. (b) Détail du courant électrique traversant les deux charges 𝑅𝑐 (course à 8km/h,
système avec rail ferromagnétique attaché au bras). (c) Puissances moyennes reçues par les charges, en fonction de la position du générateur sur le corps de la personne et de la vitesse de course.
2.1.2 Emplacements d’intérêts du générateur sur la personne
Plusieurs points d’attache du dispositif sur la personne ont été comparés (FIGURE 4-12c).
Les emplacements les plus favorables sont le bras et le poignet, pour lesquels la puissance électrique moyenne reçue par les charges varie de 2mW (respectivement 3mW) à environ 5mW. On remarque que l’évolution de la puissance en fonction de la vitesse de course est un peu différente pour ces deux positions. La région du pied présente aussi un intérêt, avec le constat que le générateur placé « verticalement » à la cheville ou « horizontalement » sur la chaussure produit une puissance équivalente (de 0.5mW à plus de 2mW), alors que dans le second cas le système est perpendiculaire au choc du pied et ne peut donc pas en bénéficier : le « swing » de la jambe est donc la source
111
d’énergie mécanique principale au niveau du pied. Enfin, le générateur placé au niveau de la hanche (par exemple dans une poche) génère moins de puissance, autour de 0.5mW, indépendamment de la vitesse de course. Cette position reçoit bien les chocs des pas, comme montré au chapitre 3, mais ne procure aucune excitation rotationnelle.
Ces résultats suggèrent donc que le format du générateur toroïdal est surtout sensible au mouvement de balancier des membres. Ce type de stimulation est typique de la course à pied, et ce format de récupérateur offre donc une meilleure polyvalence d’implantation que le générateur 1D résonant du chapitre 3. En particulier, la zone de la chaussure peut être mieux exploitée.
2.2
Position dans l’état de l’art
La puissance d’environ 5 mW produite par le générateur est intéressante, compte tenu de la masse mobile réduite employée (𝑚 = 2 g), et de la valeur arbitraire 𝑅𝑐 choisie arbitrairement pour les deux
charges. Les récupérateurs inertiels pour la personne de l’état de l’art avec une masse mobile comparable [50,56,62] produisent pour la plupart des puissances inférieures au milliwatt (TABLE
4-2).
Cette performance du système est relativisée du point de vue de sa densité de puissance qui est plutôt moyenne, de l’ordre de 200 µW.cm-3, pour un volume global de 21cm3. En comparaison,
les meilleures performances (dont la structure résonante étudiée au chapitre 3) dépassent 500µW.cm-3 [55,142]. Même en supposant un gain possible de 50% sur la puissance récupérée en
optimisant la valeur des résistances 𝑅𝑐 (étude non réalisée ici), cet aspect de densité de puissance
doit être amélioré pour renforcer la pertinence de la structure pour son intégration dans le vêtement.
TABLE 4-2–Position du générateur toroïdal parmi les récupérateurs d’énergie électromagnétiques inertiels testés sur l’activité humaine.
Ref. Vol. (cm3) Dir. Masse mobile (10-3 kg) Position Excitation Pmoy charge (mW) Densité de puissance (µW.cm-3)
Von Büren [50] 0.5 1D 1.37 Jambe Marche 0.035 70
Bowers [63] 3* 3D 2
(bille) Poche
Course
(14,5 km/h) 1.44* 500*
Romero [62] 2 2D 5.7* Cheville Course (8 km/h) 0.54 270
Ylli [57] 15.7 1D 12* Chaussure Course (6 km/h) 0.84 53
Liu [56] 6.3 1D 1.23 Main Agité main
(6.7 Hz, 1.8g) 0.65 104
Zhang [55] 26 1D 45 Sac à dos Course (10 km/h) 14.8 570
Wang [59] 98 1D 56* Jambe Course (8 km/h) 10.66 109
Générateur « pile AA » (chap. 3) 9 1D 5.7 Bras Course (8 km/h) 7.35 817 Générateur toroïdal 21 2D 2 Poignet Course (8 km/h) 4.6 221 Bras 4.7 226 Cheville 2.4 114 Chaussure 2.1 100 * valeurs estimées
112