Ahmad DELBANI, Philippe BASSET, Malal KANE

Université Gustave Eiffel

Les routes de demain ne seront plus de simples infrastructures, elles deviendront des systèmes intelligents et autonomes capables de produire leur propre énergie et de communiquer avec leur environnement (Figure 1).

Figure 1: Exemples de R5G produisant de l’électricité [1]

Dans cette optique, les générateurs d’énergie triboélectrique (TENG) représentent une technologie prometteuse pour capter l’énergie mécanique générée par les véhicules et les piétons, et la transformer en électricité. Cette approche ouvre de nouvelles perspectives pour l'alimentation des capteurs intégrés aux routes intelligentes.

Comment fonctionne le TENG ?

Le générateur d'énergie triboélectrique repose sur l'effet triboélectrique, un phénomène où certains matériaux deviennent électriquement chargés lorsqu'ils entrent en contact avec d'autres. En appliquant cette technologie aux routes, on peut récupérer une partie de l'énergie perdue lors du passage des véhicules (Figure 2). Grâce à l’utilisation de mousses triboélectriques intégrées dans la chaussée, chaque passage génère un pic de courant qui peut être stocké dans des batteries ou des condensateurs, permettant ainsi d’alimenter des capteurs placés dans la route.

Figure 2: Modèle de TENG.

Résultats Concrets et Optimisation

Dans le cadre de cette recherche, il a été démontré qu’il existe un optimum pour l’énergie récupérée dès les premières étapes du fonctionnement du transducteur triboélectrique, si la valeur du condensateur de sortie du redresseur (Crect) est bien choisie (Figure 3). Des études analytiques et des simulations, confirmées par des expériences en laboratoire, ont montré qu'en ajustant Crect à une valeur proche de la capacité minimale du TENG (Cmin), l’énergie disponible peut être multipliée par trois.

L’optimisation a été appliquée à différents circuits de conditionnement, montrant de meilleures performances avec un redresseur à demi-onde par rapport à un redresseur à onde complète. Les simulations SPICE et les tests expérimentaux ont validé cette analyse théorique, confirmant que le redresseur à demi-onde est plus efficace pour ce type d'application (Figure 3).

Ce processus d'optimisation a été appliqué à un transducteur routier triboélectrique, où l’énergie mécanique des véhicules et des piétons est convertie en électricité, permettant de détecter et envoyer des données dès qu’un véhicule passe sur la route. Un système de gestion de l’énergie à deux étages a été mis en place avec un commutateur plasma DIY, permettant de contrôler un convertisseur abaisseur de tension autonome.

Lors de chaque passage de véhicule, le système accumule suffisamment d'énergie pour envoyer un paquet de données via un module Bluetooth basse consommation (BLE). Un seul passage génère 182 µJ, ce qui est suffisant pour alimenter le module BLE, qui ne consomme que 166 µJ pour chaque transmission de données, laissant même un surplus d'énergie pour les opérations futures.

Figure 3: Quelques montages au laboratoire

Perspectives d'amélioration

Les résultats obtenus sont prometteurs, mais des améliorations sont encore possibles pour augmenter l’efficacité globale. Par exemple, des réseaux de transducteurs triboélectriques pourraient être installés sur plusieurs sections de route, augmentant ainsi la quantité d’énergie récupérée. De plus, l’utilisation d’un commutateur plasma optimisé, adapté à des conditions réelles et moins sensible aux impuretés de l’air, permettrait d’atteindre des performances encore plus élevées.

Enfin, pour que ce système soit commercialement viable, l'efficacité du convertisseur abaisseur pourrait être améliorée en ajustant les composants passifs tels que l'inductance. Il est également nécessaire de surmonter le défi posé par l’énergie requise pour le réveil du module BLE, qui est supérieure à l’énergie générée par chaque passage de véhicule. En optimisant la gestion de cette énergie, il serait possible de maintenir une alimentation suffisante pour des capteurs fonctionnant en continu tout au long de la journée.

Applications pour les routes du futur

Le système proposé, composé du TENG, d'un système de gestion de l’énergie à deux étages et du module BLE, montre des résultats prometteurs en termes de récupération d'énergie et de transmission de données. Avec des optimisations supplémentaires, cette technologie pourrait devenir un élément clé des infrastructures routières intelligentes de demain.

En effet, avec l’intégration de cette technologie, il est possible d'imaginer des infrastructures entièrement autonomes en énergie, contribuant à un futur où les routes intelligentes joueront un rôle central dans le développement des villes intelligentes et de la mobilité durable.

Quelques références pour aller plus loin :

Ahmad Delbani, et al., “Triboelectric powered system for pedestrian and vehicle detection with wireless data transmission”, Proc.PowerMEMS’22, Salt Lake City, 2022 - DOI: 10.1109/PowerMEMS56853.2022.10007557.

Ahmad Delbani, et al., “optimization of the energy harvested by a triboelectric generator excited with a small number of actuations”, Proc.Transducers’23, Kyoto, 2023

Naida Hodžić, et al., “Bennet’s Doubler With Double Capacitive TENG for Kinetic Energy Harvesting.” 2021 IEEE 20th International Conference on Micro and Nanotechnology for Power Generation and Energy Conversion Applications (PowerMEMS), 2021, pp. 80–83, DOI: 10.1109/PowerMEMS54003.2021.9658412.

[1] N. Hautière / De la route électrique à la route énergétiquement intégrée / RGRA / N° 962 / Nouvelles mobilités