Action spécifique CNRS département STIC - Énergie Portable

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1 Action spécifique CNRS département STIC - Énergie Portable Bilan de l AS Énergie Portable, 05 septembre 2002 (à la suite de la présentation du 18 janvier 2002) Analyse des possibilités s de récupr cupération de l'énergie sur l'être humain, notamment sur les mouvements et conception d'un générateur g électromagnétique tique linéaire alternatif

2 Participants au projet Systèmes et Applications des Technologies de l'information et de l'énergie Antenne de Bretagne de l École Normale Supérieure de Cachan : Sylvie TURRI (ATER), Bernard MULTON (PU) Hamid BEN AHMED (MC), Dominique MILLER (PRAG) Laboratoire de physiologie et de biomécanique de l exercice musculaire Université de Rennes 2 : Franck MULTON (MC), Paul DELAMARCHE (PU)

3 3 Contexte Problématique de l alimentation des appareils portables utiliser l énergie (renouvelable) disponible dans l environnement : Chaleur dégagée Lumière reçue Énergie mécanique issue des mouvements humains

4 État de l art : un exemple Système à manivelle, ressort et générateur (lampe, radio) : générateur ressort enrouleur + manivelle réducteur Objet de la première phase 4

5 Synthèse expérimentale : Bilan énergétique Humain Radio S360 Chaleur dégagée Mouvements parasites Pertes mécaniques Pertes mécaniques Joules magnétiques Pertes électroniques O2 Puissance absorbée η 20% 9 W Puissance mécanique humaine η 40% η Humain 8 % 4 W 223 J Puissance mécanique Ressort Réducteur η 66% 148 J Puissance électrique Générateur η 51% 76 J Phase de transfert électromécanique : Circuit électronique 67 J η 88% ηem 30 % Batterie Audio Son η batterie? 5

6 Prédimensionnement d un générateur linéaire fonctionnant à partir de la marche Objectif : concevoir un mini-générateur électrique exploitant les oscillations dues à la marche et se portant à la ceinture Déplacement (mm) Hz 1 pas temps (s) amplitude 4 cm Mouvements verticaux au niveau des hanches, modélisation élémentaire h(t) = X M.cos( ω pas.t) avec X M = 2 cm et fpas = 2 Hz 6

7 Prédimensionnement d un générateur linéaire fonctionnant à partir de la marche Générateurs envisageables : dépendent du type de mouvements exploités. - translation (exploitation de la composante verticale) - rotation ( composantes verticale et horizontale dans axe de la marche) "translation" : difficultés : guidage et entraînement direct mais Avantages : fiabilité (entraînement direct) scientifiquement (structure originale, optimisation système mécanique, magnétique, électronique, contrôle) Questions ergonomiques? - accumulation d énergie par le système ou transfert d énergie direct? - forme, encombrement du boîtier? 7

8 Prédimensionnement d un générateur linéaire fonctionnant à partir de la marche Modélisation mécanique équivalente proposée : Approche mécanique simplifiée : Théorie / Simulations Mise en équations : Équation fondamentale de la dynamique Frottement visqueux Transfert d énergie + charge + h(t) L(t) x(t) m k hanche Lo masselotte k=2.k Boîtier solidaire de la hanche F = λ dl dt Sol 8

9 Prédimensionnement d un générateur linéaire fonctionnant à partir de la marche Équations électriques : Puissance maximale = résonance du système sur la fréquence d excitation : P(t) dl(t) = λ dt Résultats de simulation : * course crête à crête : 8 cm * Masselotte de 50 g Puissance maximale envisageable en régime permanent 2 k = res m. ω 2 pas 40 mw Puissance moyenne (watts) paramétrée en k en fonction de λ 9

10 Prédimensionnement d un générateur linéaire fonctionnant à partir de la marche Exemple d architecture électromagnétique proposée : + bobinage fixe (pas de contact mobile); aimants = masselotte + aucune encoche (pas d effort de détente); - pertes Joule accrues ; Problème du contrôle optimal : La fréquence et l amplitude des mouvements d excitation varient L électronique de contrôle doit : * maximiser la production (difficile); * consommer un minimum d énergie, notamment rien au repos Lmax La ea ecu Pas boîtier Lc 10

11 Conclusion En prélevant une infime partie de l énergie de la marche ne nécessitant pas de mouvement volontaire Production d énergie électrique quantité suffisante Recharge des dispositifs électroniques Puissance Appareil électrique consommée Petite radio FM 30 mw Walkman en Play 60 mw Télephone portable Appel 2 W Veille 35 mw Lampe électrique de poche 4 W A.J. Jansen, IEEE Intern. Symposium Electronics and the Environment, 1999 Puissance maximale en régime permanent 40 mw avec 50 grammes mobiles 11

12 Perspectives Prédéterminations et Simulations : Coupler le système complet avec une électronique de conversion innovante Modéliser et concevoir un générateur électromécanique et son électronique de puissance basse consommation Expérimentations : Réalisation d un maquette Validation expérimentale Optimisation système : Proposition d un générateur optimisé 12