07
février
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Sokhna Gueye et Seynabou Sene, étudiantes en 5ème année de formation génie électrique en partenariat (FIP GE5) ont realisé un projet de recherche technologique (PRT) dont l'objectif est de faire une étude sur la cogénération dans les luminaires à LED. Retour sur les différentes étapes du projet. 

La cinquième année de la formation de génie électrique de l’INSA Strasbourg comprend la réalisation d’un projet de recherche technologique lors du semestre 9. Parmi les sujets proposés, nous avons choisi celui proposé par l’entreprise Rohl. Elle est spécialisée dans la fabrication de luminaire d’éclairage public à LED.

Le sujet consiste à étudier les bases d’un nouveau concept de luminaires d’éclairage public à cogénération. Il s’agit d’un sujet qui touche aux domaines combinés de l’électricité, de l’électronique et de la thermique.

OBJECTIF

La cogénération constitue un aspect qui est de plus en plus utilisé dans les industries.

Un luminaire( mât et lampe) dans son ensemble comporte différents systèmes capables de produire de l’électricité. Nous pouvons citer parmi ces systèmes : la vibration, le vent , la pression, les pertes de chaleur, etc. Nous avons choisi  d’étudier la récupération d’énergie provenant des pertes de chaleur et du vent. Ces deux systèmes se rapprochent le plus de notre domaine d’étude.

L’objectif est alors de récupérer de l’énergie et de l’injecter directement dans les modules LED.

LES ÉTAPES DU PROJET

cogénération, Solution de récupération de chaleur  par l’ effet thermoélectrique

Pour récupérer les pertes de chaleur provenant des modules LED piloté par un driver, nous avons choisi une sonde à effet Peltier. C’est un composant thermoélectrique qui a deux effets réversibles : l’effet Seebeck et l’effet Peltier. Dans ce projet, nous nous sommes intéressées à l’effet Seebeck (apparition d’une tension produite par une différence de température entre les faces chaude et froide de la sonde).

Nous avons fait fonctionner les sondes au nombre de cinq en mode générateur thermoélectrique. La face chaude est en contact avec les LED et la face froide avec le dissipateur thermique. La recherche du Maximum power point tracking (MPPT) s’est fait en faisant varier les valeurs de la résistance. Ce procédé est assimilable à la recherche de MPPT pour les panneaux photovoltaïques.

 

Il faut noter que plus la température entre les faces de la sonde est importante, plus on récupère de l’énergie. Mais à la fin des mesures , seulement 0.09 W a  été récupéré au maximum pour une différence de température de 9°C.

Sokhna GUEYE

Liaison électrique entre le driver et le module LED

Dès lors nous avons alors essayé de rendre les conditions de test plus favorables. Nous avons refroidi la partie froide en utilisant de l’eau et en y mettant de la glace.  Par conséquent, la différence de température a augmenté entre les deux faces. La puissance récupérée augmente au bout d’un moment mais n’est toujours pas suffisante : 0.15 W pour une différence de température maximale de 16°C.

Sokhna GUEYE

Refroidissement de la partie froide avec de l’eau et de la glace

Finalement, nous avons pu constater que le module Peltier n’ a pas un bon rendement  en l’utilisant  comme un générateur thermoélectrique. Il est plutôt efficace quand il s’agit de faire du refroidissement. 

COGéNéRATION : Solution de l’énergie éolienne

Au vu des résultats que nous avons obtenu lors des mesures avec les sondes à effet Peltier, nous avons jugé nécessaire d’exploiter la solution de l’éolienne.
Nous avons travaillé avec l’éolienne à axe vertical, car nous serons en présence de vent faible mais aussi l’idée étant de la poser au-dessus de l’axe vertical du mât.

La représentation de l’éolienne est la suivante :

L’éolienne n’a pas de boîte de vitesses, le générateur est directement monté sur l’arbre de l’éolienne, on considère que la vitesse de son rotor est similaire à celle de l’éolienne. La génératrice est l’élément d’une éolienne qui transforme l’énergie mécanique en énergie électrique. Le générateur est triphasé AC, donc nous mettrons en sortie un redresseur à commande MLI.

Données UTILES DE L’ÉOLIENNE

Par manque de temps,  nous avons fait une simulation à la place d’un prototype, avec un tableau recensant toutes les données utiles de l’éolienne telles que :

  • les vitesses de vents tirées de la courbe de vitesse des vents
  • la puissance de l’éolienne en fonction du vent tirée de la courbe de vitesse des vents
  • le coefficient de puissance Cp calculé à partir de la relation Cp = Péolienne / Pvent
  • la vitesse de rotation de l’éolienne calculée à partir des données de la fiche technique
  • la vitesse de rotation de la génératrice qui est celle de l’éolienne en l’absence de boîte de vitesse
  • la puissance utile de la génératrice calcule par la formule Putile MS = Péolienne *rendement de la génératrice
  • la puissance récupérée à la sortie du redresseur, calculée par la formule Pred = Putile *rendement du redresseur
  • la vitesse de la pâle calculée par la relation Vpâle = vitesse de rotation de l’éolienne *2*pi()/60*rayon de la surface balayée

Toutes ces données ont été calculées et représentées dans le tableau suivant :

Seynabou SENE

Tableau de données utiles de l’éolienne

Simulateur de l’éolienne

Contrairement aux modules Peltier, nous récupérons beaucoup plus de puissance avec l’éolienne. À partir de 6m/s, il serait intéressant de récupérer la puissance produite par l’éolienne.
Il est aussi possible de visualiser les données pour une seule vitesse, pour cela nous avons développé une deuxième feuille Excel de façon plus visuelle la conversion d’énergie comme suit :

Exemple pour la vitesse nominale 10 m/s
Seynabou SENE

Simulation de l’éolienne

COGéNéRATION : UNE SOLUTION QUI EN VAUT LE COUP ?

Concernant la solution visant à récupérer les pertes de chaleur des luminaires, les résultats ne sont pas satisfaisants. En effet peut de puissance a été récupérée.  Cette solution n’est donc pas rentable.

Par ailleurs, nous avons exploité la solution d’utiliser de l’énergie éolienne et sa conversion en électricité pour faire de la cogénération. L’installation dépendra premièrement de la vitesse du vent de la zone, pour des vents faibles, elle n’est pas rentable. En revanche pour les zones à vents forts, ça serait intéressant mais il faut aussi noter qu’en terme de coût le prix des éoliennes est cher et sa mise en place entacherait sur l’esthétique du système.

Il serait bien d’exploiter d’autres systèmes comme la vibration , la pression etc. Peut-être qu’en combinant tous ces systèmes, il serait possible de récupérer une quantité d’énergie significative et rentable.

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