2.6 Choix et descriptions
2.6.1 Description de l'environnement de
fonctionnement
Figure 17 : Environnement de
travail et disposition
Comme le laisse penser le titre du travail, le
générateur devra être soumis à la charge des
véhicules passant sur la route. Ainsi nous devons caractériser le
comportement de l'asphalte sur le dispositif récupérateur en
fonction du trafic. Commençons par séparer les véhicules
en deux groupes : les petits véhicules (quatre roues) et les gros
véhicules (camions et bus).
Pour faciliter l'analyse, on supposera que la pression de
contact entre le pneu et l'asphalte est égale à la pression
interne du pneu et la forme de l'aire de contact est circulaire. Pour les
petits véhicules la pression varie entre 0.2 et 0.25 MPa et pour les
gros véhicules elle varie à partir de 0.5 MPa. La valeur typique
choisie sera de 0.7 MPa.
L'idéal serait de poser le dispositif au plus
près possible de la surface de sorte à récolter le maximum
d'énergie possible car la contrainte verticale se dissipe avec la
profondeur; mais il est tout de même difficile de placer un tel
dispositif en contact immédiat avec la surface de l'asphalte. Il est
plutôt recommandé (ZHAO, et al., 2012) d'être placé
à 4 cm sous la surface car à cette profondeur la contrainte est
environ égale à 90% de celle à la surface.
Sachant que l'asphalte présente une certaine
élasticité, son module d'élasticité varie 1000 et
4000 MPa selon la température (ZHAO, et al., 2010). On sait
également qu'un très grand nombre de véhicule de
différentes vitesses traversent l'asphalte chaque jour, la
fréquence de la charge sur le PEH (Piezoelectric energy
harverster) dépend de la vitesse des véhicules et du volume
du trafic. On estime en moyenne la fréquence dans la bande de
fréquence allant de 0.1 Hz à 50 Hz (ZHAO, et al., 2012).
Le système devra également résister
à la température élevée que peut atteindre
l'asphalte qui peut atteindre jusqu'à 85oC dans notre zone
climatique (Adwan, et al., 2021). La crainte ici est que les matériaux
perdent leurs propriétés piézoélectriques suite au
dépassement de leur température de Curie. Sans omettre son
étanchéité car l'infiltration de l'eau augmente
considérablement le risque de court-circuit.
2.6.2 Choix de la structure et des
matériaux
La structure piézoélectrique joue un rôle
important dans la conception du générateur car une structure
inappropriée pourrait au mieux être très inefficace et
engendrer d'énormes pertes dans le PEH, et au pire se rompre sous les
lourdes charges à supporter.
Comme dit à la section 2.3, la configuration de poutre
est la plus utilisée dans les récupérateurs
piézoélectriques vu sa simple structure et son bon facteur de
qualité mécanique. Cependant pour une voie routière il est
plutôt important de considérer le fait que la structure doit en
plus d'un bon facteur de qualité mécanique, supporter des charges
importantes et donc être beaucoup plus robuste.
Si quelques travaux semblaient privilégier la structure
en cymbale (ZHAO, et al., 2010), d'autres encore une structure cylindrique
(Yang, et al., 2020) la plupart des travaux depuis lors tendent à
privilégier la structure dite en pont (souvent décrite par sa
traduction anglaise bridge) qui est en réalité une
amélioration de la structure cymbale car pour les mêmes
matériaux utilisés et soumis à une même contrainte,
la configuration en pont présente une plus grande quantité
d'énergie récoltée (Wang, et al., 2019).
Figure 18: Comparaison des
performances des structures cymbale et en pont
Figure 19 : Transducteur
en pont
La structure devra donc être en pont car remplissant au
mieux les contraintes liées à l'environnement de travail et
à l'efficacité recherchée.
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