CHAPITRE 4 : RÉSULTATS
4.3. Paramètres électriques
Photo 3 : Malapterurus electricus Source : Cliché Zonou, 2009
4.3. Paramètres électriques
La décharge des organes électriques du Malapterurus electricus est contrôlée par son système nerveux. Chaque décharge électrique du Malapterurus electricus a presque une même forme mais l’amplitude et la fréquence sont variantes. La durée de la séquence de la décharge électrique n’est pas la même et est souvent très courte (tableau A6 en Annexe). Malapterurus electricus produit également les décharges électriques à un rythme variable.
4.3.1 Forme, amplitude et fréquence de l’énergie produite
La mesure des paramètres électriques sur Malapterurus electricus a été effectuée à plusieurs reprises sur une période d’un mois et demi. Les valeurs d’un bilan de séquence de mesure se présente dans le tableau A6 de l’annexe. Au cours d’un intervalle de trois mois nous avons observé une augmentation globale de l’EOD de 4,3 V. Le poisson électrique est mis dans l’aquarium selon le dispositif de mesure (figure 10). Lorsque le poisson électrique n’est pas excité, le signal électrique obtenu sur l’écran de l’oscilloscope est une très faible impulsion d’amplitude 0,01 mV environ en absence d’un autre spécimen dans l’aquarium. Cependant, en excitant le poisson électrique à l’aide d’un petit bâton en plastique que nous utilisons pour toucher son corps, nous obtenons deux types de signal visualisé sur l‘oscilloscope
1. longueur de la tête : 2,3 cm
2. longueur du standard corps : 10,2 cm 3. longueur de la queue : 2,5 cm 4. largeur de la queue : 3,3 cm 5. pourtour du corps : 6,7 cm Figure 11 : Indications des mesures
prises sur le Malapterurus electricus du Bénin
(photo 4 et photo 5) : un signal mono-alternance positif en une durée d’une demie seconde lorsque le poisson électrique a sa queue en direction de l’anode et sa tête en direction de la cathode. Un signal mono-alternance négatif lorsqu’il adopte la position inverse ou lorsque la position des électrodes est inversée. Les deux formes des signaux électriques s’accroissent en amplitude avec l’intensité de l’excitation. De même, lorsque nous mettons une LED dans à la place de l’oscilloscope, elle ne s’allume que lorsque l’anode de la LED est reliée à la queue et la cathode à sa tête photo 7.
Ainsi nous déduisons de l’analyse des deux formes du signal par rapport aux comportements de l’animal que Malapterurus electricus est un générateur d’impulsions électriques polarisé dont la queue porte la polarité positive et la tête la polarité négative.
Photo 4 : Décharge positive Photo 5 : Décharge négative Source : Cliché Zonou, 2009 Source : Cliché Zonou, 2009
Dans un premier temps nous nous sommes servis des trois électrodes (E1, E2, E3) dans l’aquarium en maintenant la résistance de ligne en court circuit et dans le second temps en utilisant la résistance selon la figure 10 pour apprécier le courant de ligne.
Photo 6 : Courbe du signal électrique avec trois électrodes Source : Cliché Zonou, 2009
Y
2=0, voix 2
Y
1=0, voix 1
4.3.2 Rythme de la décharge électrique
Les valeurs des mesures faites en présence de 4 poissons clarias de taille 6 cm durant certaines périodes nous ont permis d’apprécier le rythme de la décharge électrique. Ces clarias sont les excitants du Malapterurus electricus. Si le nombre de poissons électriques est supérieur à 4 dans le même aquarium il est observé une régularité dans la communication qui se traduit par les décharges électriques plus dense. Ainsi, le nombre de poisson introduit dans l’aquarium doit être limité pour permettre aux poissons de bénéficier un taux d’oxygène suffisant dans leur respiration. C’est la raison qui nous a obligé à choisir 4 poissons selon les dimensions de notre aquarium. Durant la période de 19 h à 6 h nous avons relevé en moyenne 87 décharges par heure (figure 12, 13, 14, 15 et 16). Ce taux de décharge varie entre 81 et 91 décharges par heure et dont la durée de chaque type de décharge varie entre 10 ms et 4 s (Tableaux IV & A6). Il découle des figures 12 à 16 que le rythme de la décharge est plus régulier la nuit. Pendant la nuit lorsque nous avons mis une lumière pour éclairer l’aquarium dans lequel se trouve le poisson électrique on a plus observé de décharge électrique. Pendant la journée entre 6 h et 12 h le rythme de la décharge est très faible (figure 17, 18, 19). Les mesures qui devraient se faire entre 23 h et 5 h n’ont pas été du tout faites pour la seule raison fondamentale d’un manque d’équipement vidéo pour l’enregistrement des données à notre absence pendant que nous dormions. En pleine journée, la décharge électrique obtenue est au plus 7 par heure ou totalement absente. Nous retenons finalement que l’élément fondamental de la régularité du rythme de la décharge électrique est surtout l’obscurité. La durée de chaque décharge électrique dans ce cas est de l’ordre d’une seconde ou moins. La tension de la décharge relevée n’est pas fixe et varie entre 0 et 29 V. La valeur moyenne de la tension est de 6,98 V.
Lorsque le poisson est excité avec un petit bâton à n’importe quel moment nous obtenons une décharge dont l’amplitude dépend de l’intensité de l’excitation. La tension maximale mesurée peut atteindre 30 V en une demie seconde pour chaque décharge électrique. Le poisson électrique considère alors le bâton comme son prédateur et produit par conséquent des décharges électriques pour tenter de se défendre. Nous remarquons également que le temps que dure chaque décharge ne favorise pas un bon rendement de la quantité d’électricité stockable.
0
0
La valeur moyenne des différentes mesures faites et les valeurs maximales des paramètres électriques des deux catégories de décharges sont présentées dans le tableau III.
Tableau III: Valeurs des paramètres des décharges électriques enregistrées chez Malapterurus electricus
Source : Zonou
La décharge électrique relevée de 19 à 22 h est regroupée dans le tableau IV. Ce tableau nous présente le temps durant lequel un niveau de tension est observé et également le nombre de décharge électrique qui lui est associé.
Tableau IV : Bilan des données de la durée et du rythme de l’EOD en fonction du niveau de tension entre 19 et 23 h
Tension [V] 0,5 0,6 0,7 0,8 1 2 3 4 5 5,5 6 7
Durée [s] 1 0,5 0,0001 1 11,95 9,157 8,856 1,209 3,16 0,004 14,047 12,38
Nbre EOD1 1 1 3 1 34 42 25 6 17 2 16 42
8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
- 0,001 1 10,203 0,317 0,012 1,017 0 0,8 4,466 3,1 4 12,32 8,08 2 1,46
- 14 1 16 13 13 9 0 5 28 10 7 10 8 2 4
24 25 26 27 28 29 Total Moyenne Ecart-Type
1 0,036 0,012 0,017 - 0,002 113,122 3,3271 4,50562
1 3 8 8 - 1 351 10,3234 11,5934
Source : Zonou
1 Nombre de décharge des organes électriques pour chaque niveau de tension.
ddp [V]
amplitude
Intensité Courant [mA]
Fréquence [Hz]
Durée du signal [ms]
Puissance (PT) [W]
29 23,07 250-300 500 0,5307
0 décharge électrique va de paire souvent avec la durée de chaque niveau de tension.
Nous remarquons que les tensions entre 7 et 21 V ont la durée la plus élevée (12,5 s). De même que les tensions entre 2 et 12 V ont une durée d’environ 10 s. Les pics de tension de plus de 22 V ont une durée faible, ceci s’explique par le fait que la forte décharge est utilisée occasionnellement pour paralyser une proie ou éloigner un prédateur par le poisson électrique.
4.3.3. Modélisation mathématique de l’EOD du Malapterurus electricus
La forme des décharges électriques visualisée sur l’oscilloscope (Photo 4, 5, 6) présente un signal mono-alternance sinusoïdal. Par conséquent nous pouvons donc proposer l’équation mathématique ci-après modélisant cette forme de signal obtenue. l’EOD (décharge des organes électriques ), θ la phase à l’origine des dates, Umax l’amplitude maximale des impulsions, ∆t est la durée d’une alternance
dans une décharge électrique etλ =+1 selon que la décharge électrique est positive ouλ =−1 lorsqu’elle est négative.
4.3.4. Rapport du champ électrique de la décharge en fonction de la position des électrodes
L’EOD des poissons électriques dans l’eau délimite autour d’eux un champ électrique dans lequel ils se communiquent, assomment leur proie ou éloignent d’eux leur prédateur.
Il est admis que le poisson électrique est une charge volumique dont la charge résultante Q est supposée ponctuelle (figure 21) par approximation à un instant considéré de la décharge [31]. En considérant le poisson électrique repéré en un point P et la position d’un électrode par rapport à lui le point M de l’espace, d’après le théorème de Gauss, la relation entre le champ électrique et la charge est donnée par :
le potentiel électrique s’exprime par :
dV
Figure 21: Potentiel mesuré en un point donné En prenant:
q σ I
ε =
(5) [23],σ
la conductivité électrique du milieu aquatique.Nous en déduisons des équations (2), (4) et (5) précédentes une nouvelle expression du vecteur champ et du potentiel électrique en fonction de l’intensité du courant: donne la valeur de la tension en fonction du courant par :
)
Alors l’évaluation théorique de l’effet de la distance entre les électrodes et le poisson électrique sur la tension est, [20] :
(10) En effet, la queue porte la polarité positive et la tête la polarité négative au niveau du Malapterurus electricus.
L’unité de mesure de chaque paramètre est présenté comme suit :
[
C2/N.m]
S/cm. Cette courbe est obtenue à partir de l’équation (10). Lorsque le poisson électrique peut générer un courant allant jusqu’à I = 1,7 A pour une charge donnée suivant le déplacement dans un plan sur une longueur de 60 cm.
Figure 22: Courbe de la tension de l’EOD par rapport à la distance des électrodes au poisson électrique dans l’aquarium
Source : Zonou
D’une brève analyse de la figure 22, il ressort que les poissons électriques produisent de l’énergie électrique qui se propage en un taux donné dans leur environnement aquatique. L’eau douce étant un conducteur dont la conductivité dépend fortement de sa concentration en ions, elle constitue l’élément conducteur du courant électrique. Cette conduction en courant électrique par l’eau dans laquelle se trouve le poisson électrique permet à ce dernier d’avoir un champ électrique autour de lui. Les lignes de champs électriques proviennent de la décharge en énergie électrique des organes électriques du poisson électrique. L’étendue des lignes du champ dépend de la grandeur d’énergie électrique produite et de la conductivité de l’eau. L’intensité du champ électrique de l’EOD du Malapterurus electricus décroît avec l’accroissement de la distance des électrodes par rapport à ce
Avec
1 ) ( 1
) 4 (
0
d
r d I
U = +
πσ
(D’après Gauss)
= I 1,7 A
0 =
r 60-d
σ =0.0025S/cm
dernier. La faible conductivité de l’eau implique une impédance très élevée et affaiblit par conséquent l’intensité du courant électrique (I = E/Z).
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
Choix des résistances: le courant maximal sortant du régulateur