Smart Material 2 Fibre optique Plaques photovoltaiques.

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1 Smart Material 2 Fibre optique Plaques photovoltaiques

2 La fibre optique Ces neuro-systèmes optiques repèrent actuellement la position, l'orientation, la rotation, le déplacement, la déformation, le niveau des liquides, la température, la pression, la tension, la vélocité, l'accélération, l'impact, les dommages structurels, la fréquence, la vibration, les ondes acoustiques, les champs magnétiques et électromagnétiques, le courant et le voltage. Réf Ted Krueger

3 "Smart structures" are structures such as buildings, dams and bridges embedded with internal fiber optic sensors that can indicate damage or deterioration

4 Autres matériaux capteurs thermiques, des détecteurs de mouvements et des photocapteurs, des plaques photovoltaiques, des mini radars, des détecteurs ultra-soniques à distance (chauve-souris), des détecteurs d'humidité, des (mat switches) tapis interrupteurs, etc. Puis, à côté de ces capteurs, il faudrait aussi considérer actionneurs (actuators) dont certains simulent un mouvement artificiel de muscle, d'autres sont faits d’alliages de matériaux à mémoire, des céramiques piezoélectriques, de fluides et de matériaux électrorhéologiques et magnétorhéologiques, etc Réf. Ted Krueger III APLICATIONS : *Les applications sont nombreuses : ·Transducteurs piézoélectriques exemple: générateur, capteurs, moteur, mircomoteur ·Elles sont aussi à la base des composants que l’on qualifie de smart : composant dont le comportement dépend directement de son environnement et qui permettent par un mécanisme de contre réaction d’influer sur cet environnement. Pour les applications piézoélectriques en fonction de la composition,ils peuvent par exemple être caractérisé par un coefficient de couplage électromécanique et d’une constante de charge piézoélectrique élevée. Les applications sont alors de faibles puissances : cellules Pick up, contrôle de mouvement, microphones, vibreur. Caractérisé par des qualités mécaniques élevées et un facteur de pertes bas, ils peuvent être utilisés dans la génération d’ultrasons de puissance. Elle permet d'obtenir des vibrations mécaniques ou électriques parfois combinées aux propriétés de résonance et trouve son application dans les allumes-gaz, certaines têtes de lecture de tourne-disques, les montres à quartz, les générateurs à ultrasons, les sonars, les échographies, les microphones. *Applications électro acoustique : Les têtes de Pick up permettent le réalisation de capteurs sensibles et possèdent une fréquence de résonance mécanique propre élevée ce qui est indispensable à la reproduction fidèle des enregistrements. *Générations et réceptions de sons ou d’ultrasons : La génération et réception de sons ou d’ultrasons font en général appel à la résonance du composant piézoélectrique utilisés, afin d’obtenir un bon rendement électro acoustique, des pastilles de céramiques piézoélectrique et sont parfois utilisées comme générateurs de sons (réveil, signaux sonores de faible intensité). * les condensateurs * les sonars piézoélectriques * les filtres électromagnétiques * les céramiques piézoélectriques : ultrasons à application médicales, transformateurs piézoélectriques, filtres *Céramiques techniques avancées : * électronique : composant * mécanique : outil de coupe * biomédical : implants et prothèses * chimie, métallurgie, * optique

5 Fibre de verre Musée des arts et métiers Paris

6 Vêtement communiquant écran souple de fibres optiques,
Fonctions et sens Les fonctions sont au nombre de six qui se déclinent ensuite dans des sous-menus: - la visio-conférence - le lecteur audio - le lecteur vidéo - la capture d'images et de son - le navigateur internet - la messagerie électronique Les sens sont au nombre de quatre et permettent les réglages des périphériques: - W : Watch - Réglage de la caméra - L : Listen - réglages des écouteurs - S : Speak - Réglage du micro T : Touch - Utilisation de l'écran tactile: Clavier et système de fichiers Vêtement communiquant CJ 02/05 Première mondiale : des chercheurs grenoblois de France Télécom R&D ont mis au point un "vêtement communicant" sur lequel peuvent s'afficher des images. Un écran souple de fibres optiques, une batterie d'une autonomie de deux heures et une télécommande ont été intégrées dans le vêtement. Le mélange de textile et de fibres optiques permet d'éviter toute rigidité. Par le biais d'un ordinateur, l'usager peut télécharger des images ou des messages et les afficher en appuyant sur la télécommande. L'écran souple (pour l'instant que monochrome) réagit aussi aux fréquences sonores. Il existe deux façons de réaliser la communication : - la première recourt aux fonctionnalités classiques du téléphone GSM intégré, qui peut se faire en main libre en utilisant la fonction reconnaissance vocale. Les hauts-parleurs et le microphone intégrés judicieusement dans l'écharpe permettent de dialoguer avec son correspondant. - une fonctionnalité plus évoluée de communication utilisant la visiophonie, qui permet de visualiser son interlocuteur. Les images capturées par la caméra intégrée à l'écharpe sont transmises à son correspondant. Utilisant un débit de 64 Kbits/s jusqu'à des débits pouvant aller jusqu'à 1, 5 Mbits/s, toutes les qualités de visiophonie sont permises. Outre le côté ludique de l'invention, les chercheurs pensent que ce vêtement communicant peut également servir dans le domaine de la sécurité routière, de la mode ou de la publicité. A terme, et en cas de production industrielle, les chercheurs estiment que ce vêtement pourrait être commercialisé à un prix de l'ordre de 150 euros. Notons que l'écharpe communicante est présentée à la Cité des Sciences et de l'Industrie de La Villette (jusqu'à janvier 2003). Pour en savoir plus : Site de France Telecom : L'INTERFACE de l'écharpe Communicante Principes L'interface différencie deux types d'accès: d'une part les fonctions, ce sont les logiciels intégrés et d'autre part les sens, ce sont les réglages et l'utilisation des périphériques d'entrée et de sortie: micro/ écouteurs/ caméra/ écran tactile. Cette différenciation permet de savoir quels sens sont utilisés par chacun des logiciels et à l'inverse quels logiciels utilisent tel ou tel sens. En effet, si l'on appuie sur un bouton correspondant à une fonction, les sens correspondant s'illuminent. Fonctions et sens Les fonctions sont au nombre de six qui se déclinent ensuite dans des sous-menus: - la visio-conférence - le lecteur audio - le lecteur vidéo - la capture d'images et de son - le navigateur internet - la messagerie électronique Les sens sont au nombre de quatre et permettent les réglages des périphériques: - W : Watch - Réglage de la caméra - L : Listen - réglages des écouteurs - S : Speak - Réglage du micro - T : Touch - Utilisation de l'écran tactile: Clavier et système de fichiers France Télécom R&D Vêtement communiquant écran souple de fibres optiques, batterie d'une autonomie de deux heures et télécommande et Caméra intégrés au vêtement

7 Engineers turn Vermont bridge into world's "smartest"
Fig1 Reports November 1997 Engineers turn Vermont bridge into world's "smartest" University of Vermont (UVM, Burlington, VT) engineers embedded fiber optic sensors into a steel-truss bridge spanning the Winooski River in Waterbury, Vermont, in early October. The sensors will determine the bridge's structural health and indicate if the bridge has been damaged or cracked, is under strain, or corroded by road salt. Fig . 1. Dr. Stephanus Spammer, visiting scholar from Rand Afrikaans University in South Africa, and Mechanical Engineering graduate student Matthew Nelson laying optical fiber into the rebar matrix. The project is the work of Peter Fuhr, UVM associate professor of electrical engineering, and Dryver Huston, UVM associate professor of mechanical engineering. Also working on the project is Stephanus Spammer, a visiting scholar from Rand Afrikaans University in South Africa. Motorists seldom think about whether or not a bridge is structurally deficient. But a 1996 U.S. Department of Transportation survey estimates that more than 40 percent of all bridges in the U.S. are seriously deteriorated. "But there simply aren't enough resources available to just go fix every bridge," Fuhr said. "In the future, this technology can help decide which ones get fixed first." "This research could certainly save taxpayers money, because it's a nondestructive method of checking a bridge," he said. "The current way is to actually drill holes in a bridge and analyze the core sample, and that's very manpower-intensive." Fig 3 . Some of the Bragg fiber optic sensors, from 3M Specialty Optical Fibers, have been epoxied directly onto the bridge deck rebar. The single-mode fiber in/out leads run over to one of the access panels that are located on the side of the bridge. The sensors that Fuhr, Huston and research colleagues embedded Thursday include fiber optic strain (provided by 3M Specialty Optics) and vibration sensors, crack detectors and sensors that can detect direct road-salt corrosion and its depth of penetration. There's also ground-penetrating radar that can analyze the concrete deck and underlying structure. "Structural health monitoring with remotely interrogated embedded sensors is an emerging technology with large potential usage on structures such as bridges, dams and buildings," Huston said. "This bridge project in Waterbury is a demonstration and evaluation of these techniques specifically aimed at some of the problems experienced by concrete bridges." Fig 2 . Nine access panels are located on the east side of the bridge. The panels are unequally spaced. In the case of the Bragg strain sensors, we have outfitted only one sensor connection (input and output) per panel. Last summer, Fuhr and Huston placed fiber optic chloride sensors in bridges in West Milton and Waterbury, Vermont. During their ten years of work on smart structures, they also have installed sensors inside the Winooski One Dam, also in Vermont and several UVM buildings, a courthouse in Burlington, Vermont, a maximum-security prison in West Virginia, and the twin, 26-story Museum Towers under construction in Boston. Participants in the October event: * Peter Fuhr, University of Vermont Associate Professor of Electrical and Computer Engineering * Dryver Huston, University of Vermont Associate Professor of Mechanical Engineering * Stephanus Spammer, Rand Afrikaans University (South Africa), Professor of Electrical Engineering * William Tamm, 3M Specialty Optical Fibers, Manager of Applications Engineering * David Barker, UVM Electrical and Computer Engineering Graduate Student * Matthew Nelson, UVM Mechanical Engineering Graduate Student * Orpheous Nelson, UVM Electrical and Computer Engineering Graduate Student * Jing Hu, UVM Mechanical Engineering Graduate Student Equipment donations: * 3M Specialty Optical Fibers * Hewlett Packard * Corning Glass * Siecor This research project is funded by the National Science Foundation, the Vermont Agency of Transportation and the U.S. Federal Highway Administration. For more information, contact Fuhr at 802/ , or by at uvm.edu, or Huston at 802/ , or Visit the project's Web site at For stories on earlier work, such as the Winooski One Dam and the UVM buildings, see OE Reports No. 108 (Dec. 1992, p. 9) and No. 131 (Nov. 1994, p. 9). Fig 3 DR Huston , PL Fuhr Bridge on Winooski River in Waterbury, Vermont 1997 Capteurs en fibre optique incorporés à la structure d’acier Fig 2

8 Plaques photovoltaïques
Solar cells Plaques photovoltaïques

9 Fonctions Éclairage urbain Pompe à eau Contrôle à distance
Télécommunications Recharge de batteries SunWize SW Series Modules SunWize solar Modules deliver top quality performance at lower cost than other manufacturers panels of the same power rating for all photovoltaic applications. This includes but is not limited to rural electrification, water pumping, remote telemetry and communications sites, and general battery charging. These modules can be used singlely or in multiple installations. Each module has 36 cells (industry standard for 12 V panels). FEATURES: *The glass surface is impact resistant and allows maximum     light transmission.  *Single crystalline solar cells are encapsulated and bonded    to the glass in multiple layers of ethylene vinyl acetate    (EVA) and laminated with white Tedlar backing insuring    long life in severe enviromental conditions. *Weather resistant junction box accomidates all wiring    methods including moister-tight string relief connectors     and electrical conduit. *Anodized aluminum tubular frames add strength and    durability to modules.  * Pre-drilled mounting holes.  *Bypass diodes contained within the junction box insure    reliable operation.  *Modules comply with U.S. and international standards, and    are factory tested to verify superior performance.  *Modules carry a 20 year, 80% power output warranty and are    ISPRA certified.  SunWize Plaque photovoltaïque

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11 ALBERS, Joseph ( ) Grille : assemblage de verre 32,4 x 28,9 cm 1922 Expérimentations avec des débris de verre influencées par les « Études de la matière » de J. Itten

12 Solar Glass Pavilion Design: Gregory Kiss, Kiss +
Cathcart Architects, and Nicholas Goldsmith, FAIA, FTL Happold Architects + Engineers, New York, NY Materials: Thin film Apollo® photovoltaic solar modules, glass Active solar design uses technology such as photovoltaics to harness the Sun's energy. In 1839 the photovoltaic effect was observed. The first silicon photovoltaic solar cell was invented at the Bell Laboratories in In the 1960s, the first use for PV cells was in space, where sunlight is the only available energy source for spacecraft and satellites. Communications equipment on board Sputnik (1957) and Vanguard (1958) orbital satellites were PV-powered. Since the 1970s, PVs have come down to Earth to provide power for everyday needs. Design is a fundamental process of making and shaping materials to meet our needs. Design touches on natural and built environments and our place in them. Design bridges history, culture, science, and technology. In designing with solar energy, we put the power of the Sun to work. © 1998 Cooper-Hewitt, National Design Museum, Smithsonian Institution The glass pavilion featured in Under the Sun represents the state of the art in thin film photovoltaic glass for buildings. Here, PV modules are the structure, enclosure, and power source. The Apollo® thin film PV modules and clear glass panes are laminated in 4-foot square glass sheets which form the pavilion's walls and roofs. The arrangement of clear and PV glass creates a visual effect of light and dark. Metal plates connect the laminated modules, and the floors and reinforcing ribs are made of clear laminated glass. Walk through the pavilion to experience a space shaped by design and powered by the Sun. The glass pavilion generates enough electricity to power its own ventilation system and night lighting. It demonstrates the potential for buildings that are not only shelters but also mini power stations, sometimes even generating enough power to export back to the electric grid. This pavilion points toward a new architecture expressive of its time and connected to its environment. Glass is the defining material of modern architecture. Transparent, durable, and inexpensive, it has made possible the skyscraper, the curtain wall, the greenhouse, and the atrium. The value of PV in buildings is its multiplicity of functions, serving as a standard building material and a generator of clean, renewable energy. Photovoltaics is one of the few renewable energy forms which can be integrated into the urban environment. Wherever glass is used in a building, a glass-based photovoltaic module can replace it. Solar modules can be part of curtain walls, act as sunshades, or provide overcladding. Semi-transparent PVs can be used in skylights, generating power while transmitting light. Today, architectural glass is coated with thin layers of metal or pigments that filter or deflect light. The same effect can be achieved, at comparable cost, with photovoltaic glass. Recent developments in thin film photovoltaics have enhanced their cost effectiveness due to mass production and efficient use of materials. Solar Glass Pavilion Design: Gregory Kiss, Kiss + Cathcart Architects, and Nicholas Goldsmith, FAIA, FTL Happold Architects + Engineers, New York, NY Materials: Thin film Apollo® photovoltaic solar modules, glass PV Manufacturer: BP Solar, Fairfield, CA Apollo® is a BP Solar registered trademark. This pavilion has been made possible by BP Solar. Installation photo: Claudia Bernheim

13 Solar Party Light Design concept: Blaise Bertrand, 1998, IDEO Product Development Engineering: Larry Schubert Materials: Photoluminescent film, plastic, photovoltaics Image: Blaise Bertrand lighting] "Energy that arrives from behind a wall suggests no hint of its beginnings nor of its journey to our switchplate. With its magic shrouded from view, it becomes a superficial friend that we assume we know and readily take for granted. Solar energy creates the possibility for a more conscious relationship by revealing its lifecycle. By day, we can nestle spent cells into panels to revive their spirit, to see their photoluminescent tails invigorated by the Sun. By night, our firefly-like friends illuminate our celebrations until they fade into exhaustion and the cycle begins again." - Blaise Bertrand [SL48 Solar Lantern] [Solar Bud] [Moonlight Marker] [Dome Light] [back to lighting] © 1998 Cooper-Hewitt, National Design Museum, Smithsonian Institution Solar Party Light Design concept: Blaise Bertrand, 1998, IDEO Product Development Engineering: Larry Schubert Materials: Photoluminescent film, plastic, photovoltaics Image: Blaise Bertrand

14 Office Building Digital Equipment Corporation Geneva, Switzerland, 1994 Architect: J.F. Lecouturier - L. Caduff, Geneva, Switzerland Engineer: Atlantis Energie AG, Colt Solar Technology AG PV manufacturer: Colt Solar Technology AG Photo: Nick Brändli

15 Barn Alp Findels, Switzerland, 1991 Architect: Jann Adank, Mittellunden, Switzerland Engineer: Nordostschweizerische Kraftwerke PV manufacturer: Solution AG [solar architecture] In Switzerland, where the use of renewable energy is a national priority, photovoltaics have been effectively integrated into forms of vernacular architecture such as this barn. The power-producing roof is designed as a seamless surface of custom-made frameless solar tiles, each over a square yard, which have weathered harsh winters at a high altitude. [Row Housing, Dordrecht, The Netherlands] [Office Building, Digital Equipment Corporation] [Church Tower] [back to constructive solutions] © 1998 Cooper-Hewitt, National Design Museum, Smithsonian Institution Barn Alp Findels, Switzerland, 1991 Architect: Jann Adank, Mittellunden, Switzerland Engineer: Nordostschweizerische Kraftwerke PV manufacturer: Solution AG

16 Steckborn, Switzerland, 1993 Architect and engineer:
Church Tower Steckborn, Switzerland, 1993 Architect and engineer: Nordostschweizerische Kraftwerke, Baden, Switzerland PV manufacturer: Siemens Solar Photo: Nordostschweizerische Kraftwerke Crystalline Silicon The most efficient and the most expensive form of photovoltaic technology, crystalline--or single crystal--silicon cells are usually laminated between two pieces of glass and used as a multipurpose building material. The geometric spacing of the cells in these PV glass panels creates a pattern of light and dark. From domestic to commercial architecture, these PVs lend themselves to a variety of styles, both traditional and contemporary.

17 Angle-selective films are composed of a microscopic louvred grid structure which is light-scattering from a particular angle and thus become non transparent.