Le besoin croissant d'autocontrôle structurel

Alors que les gratte-ciel dépassent le seuil de 1 000 mètres, les exigences de leurs systèmes de surveillance de la santé structurelle (SHM) augmentent de façon exponentielle. Ces systèmes reposent sur des réseaux denses de capteurs qui mesurent continuellement les contraintes, les contraintes, les déplacements, l'inclinaison et les vibrations.

Les méthodes traditionnelles – utilisant des câbles d'alimentation spécialisés ou des batteries remplaçables – deviennent peu pratiques à des hauteurs extrêmes. Les câbles sont coûteux, lourds et vulnérables aux dommages. Les batteries nécessitent un remplacement périodique dans des zones difficiles d'accès, et leur élimination soulève des préoccupations environnementales.

La récolte d'énergie vibratoire offre une solution convaincante. Les gratte-ciels sont en mouvement constant : les rafales de vent, les systèmes mécaniques, le trafic des pieds et même les événements sismiques lointains produisent des vibrations mécaniques sur une large gamme de fréquences. En capturant une petite fraction de cette énergie cinétique ambiante, nous pouvons alimenter indéfiniment des nœuds de capteurs dédiés.

Le défi des capteurs de puissance à Altitude

Les endroits les plus critiques – les étages supérieurs, le toit, la façade extérieure et les profondeurs du noyau – sont aussi les plus difficiles à atteindre. Un pack de batterie qui dure cinq ans dans un laboratoire peut ne durer que deux ans dans les oscillations de température extrême et les charges de vent d'un environnement à haute altitude. Le remplacement d'une seule batterie au 80e étage peut nécessiter un équipage, un harnais de sécurité et une journée de surveillance perdue.

Un système SHM complet pour une tour supertubelle peut nécessiter des kilomètres de câblage, ajoutant un poids et un coût importants. Les câbles doivent être acheminés par des arrêts d'incendie et des éléments structuraux, et ils créent des points de défaillance potentiels. Dans un environnement de construction actif ou lors de projets de modernisation, le fonctionnement de nouveaux fils est souvent prohibitif.

Ces contraintes ont conduit les ingénieurs de construction à autonomie énergétique[—capteurs qui peuvent récolter suffisamment de puissance de leur environnement immédiat pour fonctionner sans connexions externes. La récolte de vibrations est le candidat le plus prometteur car elle tire directement dans le bâtiment le mouvement naturel, qui se produit de façon continue et prévisible.

Comment fonctionne la récolte d'énergie vibratoire

La récolte d'énergie vibratoire convertit le mouvement mécanique ambiant en énergie électrique en utilisant l'un des différents mécanismes de transduction. Le principe fondamental est simple : une structure vibrante contient de l'énergie cinétique, et en joignant un résonateur mécanique à ce mouvement, nous pouvons générer une tension ou un courant qui peut être rectifié et stocké.

La plupart des moissonneurs sont conçus pour être adaptés aux fréquences de vibration dominantes de la structure hôte. Pour un gratte-ciel typique, la fréquence de l'écart fondamental peut varier de 0,1 à 0,5 Hz (pour l'oscillation globale de basse fréquence du bâtiment) jusqu'à plusieurs dizaines de Hz pour les vibrations locales du plancher. Un moissonneur bien conçu résonnera à ou près d'une de ces fréquences pour maximiser la capture d'énergie. Lorsque le bâtiment se déplace, le moissonneur , masse interne oscille par rapport à son cadre, et le mouvement relatif est converti en électricité.

La puissance récoltée est souvent très petite, allant de microwatts à quelques milliwatts par appareil, mais les microcapteurs modernes peuvent fonctionner sur quelques dizaines de microwatts. En stockant de l'énergie dans un condensateur ou une batterie à film mince, un moissonneur de vibrations peut accumuler suffisamment de charge pour prendre un capteur, traiter les données et les transmettre sans fil à un centre central. Cette opération intermittente et en mode cycle de travail rend même des niveaux de puissance modestes pratiques pour la surveillance du monde réel.

Les circuits de gestion de la puissance sont un élément essentiel. Ils doivent correspondre à la puissance du capteur, stocker l'énergie excédentaire et réguler la tension. De nouvelles puces ultra-faible puissance ont été développées spécifiquement pour les applications de récupération d'énergie, permettant un fonctionnement fiable avec moins de 1 μW de puissance continue.

Types de moissonneuses à énergie vibrante

Trois technologies principales de transduction dominent le domaine : piézoélectrique, électromagnétique et triboélectrique. Chacune a des forces distinctes et est la mieux adaptée aux différentes conditions de vibrations et exigences de puissance.

Harvesters piézoélectriques

Dans un réchaud typique, un faisceau cantilever avec une couche piézoélectrique est fixé au bâtiment. Comme le bâtiment vibre, le faisceau se courbe, produisant une tension alternante. Les matériaux communs comprennent le titanate de zirconate de plomb (PZT) et le fluorure de polyvinylidène (PVDF).

Les moissonneuses piézoélectriques sont compactes, ne contiennent pas d'autres parties mobiles que le faisceau lui-même et peuvent être fabriquées à l'aide de techniques MEMS (systèmes microélectromécaniques). Elles excellent à des fréquences supérieures à 10 Hz et peuvent fournir des densités de puissance de 10 à 100 μW/cm3 lorsqu'elles sont correctement ajustées. Toutefois, elles sont susceptibles de se fendiller sur des millions de cycles et leur puissance diminue fortement si la fréquence des vibrations s'éloigne de la résonance.

Générateurs électromagnétiques

Les moissonneurs électromagnétiques fonctionnent selon le même principe qu'une dynamo : un aimant permanent se déplace par rapport à une bobine, induisant un courant. Dans une application de gratte-ciel, l'aimant est suspendu sur une source à l'intérieur d'un tube enveloppé de fil de cuivre.

Ces appareils sont bien adaptés aux vibrations basse fréquence (moins de 10 Hz), qui correspondent au mouvement de l'écart des grands bâtiments. Ils peuvent produire des courants relativement élevés mais des tensions inférieures à celles des conceptions piézoélectriques. Un moissonneur électromagnétique bien conçu peut fournir 0,5 à 5 mW de l'écart type de construction par le vent. Leurs principaux inconvénients sont une taille plus grande et la présence de pièces mobiles qui peuvent s'user au fil du temps.

Nanogénérateurs triboélectriques (TENGs)

Les générateurs triboélectriques reposent sur l'électrification de contact et l'induction électrostatique. Deux matériaux avec des affinités d'électrons différentes sont mis en contact puis séparés, créant un déséquilibre de charge qui entraîne le courant à travers un circuit externe.

Les progrès récents dans le domaine des nanotechnologies ont produit des TENG à densités de puissance remarquables, pouvant atteindre plusieurs centaines de watts par mètre carré en exploitation pulsée, bien que la puissance continue moyenne soit beaucoup plus faible. Leur simplicité, leur faible coût et leur capacité à récolter des vibrations irrégulières les rendent attrayants pour certaines applications de gratte-ciel.

Avantages pour le Skyscraper Surveillance de la santé structurelle

L'adoption de la récolte d'énergie vibrationnelle pour la puissance du capteur donne plusieurs avantages concrets qui vont au-delà de la simple élimination des batteries.

  • Fonctionnement sans entretien véritable. Une fois installé, un nœud de capteur à vibration peut fonctionner pendant la durée de vie du bâtiment — 20, 50 ans ou plus — sans intervention physique. Ceci est particulièrement utile pour les capteurs intégrés dans le béton, scellés dans des colonnes de structure ou fixés au mur extérieur du rideau.
  • Scalabilité et densité. Comme chaque moissonneur est indépendant, les réseaux de capteurs peuvent être déployés à haute densité – des centaines ou des milliers de nœuds – sans s'inquiéter de la distribution de puissance.
  • Durabilité environnementale. Aucune batterie à fabriquer, expédier, remplacer ou éliminer. L'empreinte environnementale d'un grand système SHM est considérablement réduite. L'énergie tirée du bâtiment lui-même est une source propre et renouvelable qui serait autrement dissipée comme chaleur.
  • La résilience pendant les pannes Les moissonneurs de vibrations continuent de fonctionner même si la puissance du secteur est perdue en raison d'un tremblement de terre ou d'une tempête.
  • L'intégration avec la communication sans fil. Les protocoles sans fil modernes de faible puissance (p. ex. LoRaWAN, Bluetooth Low Energy, Zigbee) ne consomment que des microjoules par transmission. Un moissonneur de vibrations produisant une puissance moyenne de 1 mW peut prendre en charge un capteur qui prend des lectures toutes les 5-10 minutes et transmet les données à une passerelle centrale.

Défis actuels et solutions techniques

Malgré sa promesse, la récolte de vibrations pour les capteurs de gratte-ciel n'est pas encore une technologie plug-and-play. Plusieurs obstacles techniques et pratiques subsistent.

Densité énergétique et budget de l'énergie

Les niveaux de vibrations ambiantes dans un étage de bureau typique d'un bâtiment à hauteur élevée sont faibles — souvent inférieurs à 0,1 g (1 g = 9,8 m/s2) à des fréquences supérieures à 1 Hz. Un moissonneur peut produire seulement 10 à 100 μW dans ces conditions. Cela suffit pour un capteur de température ou d'humidité à faible cycle, mais plus de dispositifs de puissance-faible tels que les accéléromètres qui échantillonnent à 1 kHz ou les caméras nécessitent soit des moissonneurs plus grands ou des tampons de stockage d'énergie.

Fréquence Mismat et bande passante

Si le bâtiment change de fréquence de vibration dominante – en raison de modifications structurelles, de la masse ajoutée ou même de changements saisonniers de température – le moissonneur peut être déjoué et sa sortie peut diminuer d'un ordre de grandeur. Les solutions comprennent un réglage actif[ (en utilisant de petits actionneurs pour ajuster la résonance), des conceptions de bande large[ (comme des oscillateurs bi-stables qui se cassent entre les positions), et des tableaux multifréquences qui couvrent une gamme de fréquences simultanément.

Installation et intégration

L'ajout des moissonneuses à un gratte-ciel existant nécessite un placement attentif pour maximiser l'exposition aux vibrations. L'emplacement près du noyau du bâtiment peut avoir un mouvement minimal, tandis que les étages supérieurs et les bords en cantilevered se déplacent davantage. L'orientation de la moissonneuse doit s'aligner sur la direction de vibration dominante. L'intégration dans le bâtiment des systèmes électriques et de données doit être planifiée pour éviter d'entraver l'infrastructure existante.

Durabilité et fiabilité

Toute partie mobile ou composant stressé à l'intérieur d'un moissonneur est soumis à la fatigue. Les cantileurs piézoélectriques peuvent se fissurer après des milliards de cycles si ce n'est bien conçu. Les suspensions électromagnétiques à ressort peuvent se dégrader. Le cycle thermique, l'humidité et l'exposition aux UV sur l'extérieur du bâtiment exercent une pression supplémentaire sur les appareils.

Directions de recherche et technologies émergentes

La recherche active repousse les limites de ce que les moissonneurs de vibrations peuvent réaliser, avec plusieurs pistes prometteuses pour les applications de gratte-ciel.

Nanomatériaux et moissonneuses flexibles

Les graphiènes, les nanotubes de carbone et les polymères piézoélectriques (tels que PVDF) permettent aux moissonneurs flexibles ultraminces qui peuvent être fixés à des surfaces courbes ou même peints sur des éléments structuraux. Une équipe de l'Université du Wisconsin-Madison a démontré une récolteuse flexible PVDF qui a produit 10 μW/cm2 à partir de vibrations à basse fréquence, ouvrant la possibilité de couvrir de grandes surfaces de façade avec des films de captage d'énergie. Lire l'étude.

Harvesters hybrides

Par exemple, un hybride piézoélectrique-électromagnétique peut récolter simultanément de l'énergie à partir de composants haute fréquence et basse fréquence. Des chercheurs chinois ont construit un prototype qui a livré 25 mW total à partir de vibrations typiques du bâtiment, assez pour alimenter un nœud de capteur sans fil en continu. Voir le document.

Intelligence artificielle pour l'optimisation de la puissance

Un système qui connaît les prévisions du vent, l'heure de la journée et l'historique des vibrations récentes peut ajuster son cycle de travail ou son réglage actif pour maximiser la capture d'énergie. Les premiers travaux du MIT ont démontré une amélioration de 40% de la puissance récoltée à l'aide d'un contrôleur d'apprentissage du renforcement. Explorer la recherche.

Béton de récolte d'énergie

Le concept le plus futuriste est peut-être d'intégrer directement les nanoparticules piézoélectriques dans la matrice de béton. Alors que le béton se fléchit, il génère une petite tension. Alors que la densité de puissance est actuellement trop faible pour les capteurs pratiques, les avancées de la nanoingénierie pourraient un jour transformer toute la structure en une énorme moissonneuse d'énergie.

Applications et projets pilotes dans le monde réel

Des capteurs à vibration sont déjà testés dans des immeubles de grande hauteur et de grandes infrastructures. Le gratte-ciel Taipei 101, célèbre pour son amortisseur de masse à réglage de 660 tonnes, a été utilisé comme banc d'essai pour les moissonneurs électromagnétiques placés près des rails de guidage de l'amortisseur. Les chercheurs ont mesuré jusqu'à 50 mW du mouvement de l'amortisseur pendant les typhons, bien plus que nécessaire pour un réseau de capteurs. Lire à propos de l'étude Taipei 101.

Au Japon, la Tokyu Land Corporation a installé des moissonneuses de vibrations à l'extérieur d'un bâtiment de 30 étages à Tokyo en 2019. Les appareils capteurs d'inclinaison électrique qui surveillent la réponse du bâtiment aux tremblements de terre. Après trois ans, tous les moissonneuses étaient toujours opérationnels, et la qualité des données correspondait à celle des capteurs alimentés par batterie.

La direction de Burj Khalifa a exprimé son intérêt pour la récolte des vibrations dans le cadre d'une poussée vers une exploitation énergétique nette nulle. Bien qu'aucune mise en place publique n'ait été annoncée, des études internes suggèrent que placer les moissonneurs sur la flèche et les étages occupés supérieurs pourrait générer plusieurs watts de puissance, ce qui permettrait de faire fonctionner un petit sous-système SHM.

Regard vers l'avant : un gratte-ciel auto-alimenté

La vision ultime est un gratte-ciel qui se surveille sans aucune entrée d'énergie externe. Chaque capteur, des jauges de contrainte sur les colonnes aux accéléromètres sur le toit, serait alimenté entièrement par les propres mouvements du bâtiment. Les données seraient transmises sans fil à un AI central qui évalue en permanence la santé structurelle et les calendriers de maintenance prédictive.

Cette vision n'est pas scientifiquement fiction. Avec les progrès rapides de l'électronique de faible puissance, des matériaux de transduction efficaces et une gestion intelligente de l'énergie, les pièces techniques sont en train de s'installer. Les défis restants sont d'ordre économique, ce qui réduit le coût par capteur d'un moissonneur et de réglementation, ce qui permet aux pêcheurs de respecter les codes de lutte contre le feu et de sismiques.