Smart road infrastructure : modeling of energy harvesting systems for vehicles passing by

La récupération d’énergie à partir des infrastructures routières consiste à utiliser l’énergie cinétique des véhicules en mouvement pour produire de l’énergie propre. Lorsqu’une voiture passe sur un dos-d’âne, elle ralentit naturellement. Ce ralentissement peut être exploité pour intégrer un récupérateur d’énergie dans le dos-d’âne traversé par le véhicule. Les technologies de récupération d’énergie incluent la récupération photovoltaïque, thermique, piézoélectrique, pyroélectrique, électromagnétique et hydraulique. Par ailleurs, de nombreuses perspectives s’ouvrent à l’utilisation de systèmes hybrides de récupération d’énergie et à leur impact potentiel à ce jour.Les récupérateurs d’énergie piézoélectriques (PEH) ont une faible puissance de sortie, de l’ordre du milliwatt (mW), sont peu fiables et conviennent mieux en tant que capteurs qu'en tant que récupérateurs d’énergie. Les récupérateurs thermiques et pyroélectriques offrent une puissance encore plus faible, de l’ordre du microwatt (µW). Ils ont une durée de vie courte et ne résistent pas bien aux contraintes mécaniques générées par les véhicules en mouvement, ce qui les rend également plus adaptés à un usage de capteur.Les récupérateurs d’énergie hydrauliques HEH reposent sur des phénomènes hydrauliques. Une impulsion de pression est transmise par un fluide confiné pour faire tourner un arbre de générateur. Les HEH sont encombrants et rencontrent des problèmes comme la cavitation et les fuites. Leur grande taille pose également des problèmes d’installation. La récupération d’énergie photovoltaïque PVEH est une autre technique actuellement répandue. Les panneaux solaires ne récupèrent pas l’énergie des véhicules en mouvement et ne peuvent pas être installés directement sur la chaussée, car ils ne supportent pas la pression des véhicules. Ils sont généralement placés sur les bords de la route. Leur coût d’installation et de maintenance est faible, mais leur rendement est faible et fortement dépendant des conditions météorologiques.Les récupérateurs d’énergie électromagnétiques EMEH utilisent les phénomènes électromagnétiques pour produire de l’énergie. Cette technique est fiable grâce à de meilleures performances de sortie, une densité de puissance plus élevée et une durée de vie plus longue que les autres techniques. La puissance de sortie maximale des EMEH dans les applications routières varie du milliwatt au watt. Cependant, des défis subsistent, notamment une sensibilité à la charge de sortie et à la fréquence de la charge d’entrée. En outre, leur encombrement complique leur installation. L’objectif de cette thèse est d’améliorer les performances des EMEH afin de rivaliser avec les systèmes PVEH en matière de récupération d’énergie. Le travail comprend la modélisation mathématique, des études de simulation transitoire et une validation expérimentale, offrant une vision complète de la conception du système et de la méthodologie employée. L’EMEH se compose d’un module de transmission et d’un module générateur. Le module de transmission repose généralement sur un mécanisme d’engrenage complexe, ce qui le rend volumineux et induit une forte inertie. Le projet vise à remplacer les engrenages traditionnels par des liaisons mécaniques afin d’améliorer les performances du système et de réduire les pertes de transmission. En tenant compte du confort du conducteur, un déplacement vertical maximal de 3 mm est fixé pour le récupérateur d’énergie. Le module de transmission à base de liaisons est conçu pour optimiser la transmission de force, amplifier le déplacement et minimiser le volume opérationnel du mécanisme. Ensuite, le module générateur est sélectionné après essais de plusieurs types et configurations de générateurs. Un générateur à courant continu (DC) avec balais est retenu, en fonction des paramètres de couple et de vitesse de rotation. Toutefois, un générateur personnalisé basé sur la réluctance a été fabriqué afin d’optimiser les performances du module générateur.