Guylaine POULIN-VITTRANT

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1 Source : Princetown Univ. Source : designboom.com Source : SolarBotanic Récupération d énergie Etat de l art, perspectives Source : Airbus Guylaine POULIN-VITTRANT Chargée de Recherche au LEMA (UMR 6157 CNRS-CEA) Au 1er janv : GREMAN (LEMA LMP une partie du LUSSI) Colloque Capteurs, Instrumentation pour l Environnement & les Géosciences septembre 2011 Orléans Source : Nikkei Electronics Asia

2 Plan Vous avez dit Récupération d énergie? Point de comparaison : batteries et piles. Quelles sources d énergie? Les convertisseurs associés. Bilan et perspectives. Colloque Capteurs, Instrumentation pour l Environnement & les Géosciences, septembre 2011

3 Vous avez dit Récupération d énergie? Vous avez dit Récupération d énergie? Comparaison : batteries & piles Quelles sources d énergie? Bilan et perspectives Objectifs : Augmenter l autonomie des systèmes Limiter la dissémination de piles et leur maintenance Contraintes : Disposer d une ou plusieurs sources d énergie Se limiter aux dispositifs à (très) basse consommation Applications ciblées : Médecine (monitoring, implant), domotique, électronique portable, capteurs abandonnés Exemple [Marzencki, thèse INPG 2007] consommation d un WSN = 22µJ pendant 1 minute 370nW WSN = Wireless Sensor Node = nœud d un réseau de capteurs sans fils Source : Univ. of Michigan

4 Vous avez dit Récupération d énergie? Vous avez dit Récupération d énergie? Comparaison : batteries & piles Quelles sources d énergie? Bilan et perspectives Structure générale d un dispositif de récupération : transducteur (convertisseur en électricité) + électronique de récupération et de gestion de l énergie + stockage Schéma d un nœud d un réseau de capteur sans fil [Marzencki07] Domaines de connaissances et compétences associés : Physique et chimie des matériaux, mécanique, électronique, automatique, informatique

5 Vous avez dit Récupération d énergie? Vous avez dit Récupération d énergie? Comparaison : batteries & piles Quelles sources d énergie? Bilan et perspectives Pourquoi le stockage? N est-ce pas reporter le problème? Nécessité de découpler énergie et puissance Nécessité de pallier les interruptions de la source d énergie Qui dit stockage dit gestion intelligente de l énergie car : Ne pas surcharger ou trop décharger l accumulateur Optimiser la récupération et la consommation de l énergie (périodes de veille)

6 Comparaison : batteries & piles Vous avez dit Récupération d énergie? Comparaison : batteries & piles Quelles sources d énergie? Chaleur Rayonnement Vibrations Bilan et perspectives Accumulateurs électrochimiques : De 60 Wh/kg (NiMH) à 200 Wh/kg (Li-Ion et Li-polymère) et 600 Wh/dm 3 Décharges possibles de qq minutes (NiMH) à qq mois Possibilité d intégration, nécessité d une gestion d énergie avancée Supercondensateurs : 5 Wh/kg, décharges possibles de qq secondes à qq heures voire qq jours Piles électrochimiques (non réversibles) : Technologie Lithium : jusqu à 500 Wh/kg et 1000 Wh/dm 3 et très faible autodécharge 1 cm 3 = taille de la pile pour alimenter 1 WSN consommant 370 nw pendant 10 ans (sans phénomène d'autodécharge) [Marzencki07]

7 Quelles sources d énergie? Vous avez dit Récupération d énergie? Comparaison : batteries & piles Quelles sources d énergie? Chaleur Rayonnement Vibrations Bilan et perspectives Chaleur : T spatial ou temporel Rayonnement : Lumière solaire ou artificielle Ondes hertziennes Nucléaire Vibrations et contraintes mécaniques Source : Innowattech Ltd. Biofuel cell : insectes [Graham-Rowe04], glucose du sang [Heller02], urine [Lee05]

8 Chaleur Sources : corps humain, pertes des machines thermodynamiques, chaleur solaire captée Thermoélectricité = conversion directe (et statique) de la chaleur en électricité (effet Seebeck et Peltier) Thermocouple Module thermoélectrique Optimisation du thermogénérateur : si on veut η max alors il faut maximiser le facteur de mérite ZT (T: température moyenne) Un bon matériau thermoélectrique possèdera donc simultanément un coefficient Seebeck élevé, une bonne conductivité électrique et une faible conductivité thermique. Mais T << 15 C (mauvais couplage thermique à l environnement) Notion de rendement non pertinente Source : B. Multon, ECOFAC 2010

9 Chaleur Améliorations : Empilage de modules Dissipateur Mouvements Allongement des thermocouples Meilleure optimisation du matériau Tenir compte du convertisseur électrique pour élever la tension avec un rendement correct Exemple : module Ferrotec (TMG ) mm 2, 450 thermocouples, génère 16 µw ( T = 15 C) TPS61200 (0,5 V mini) Applications : Montres : Citizen CTY (2001) 1242 thermocouples, tension 515 mv/k, P recup = 13,8 µw/k (source : J. Stockholm, JEEA 2002) Oxymètre communicant (conso 62 µw) Vêtements «thermoélectriques» (matériaux nanostructurés) Source : B. Multon, ECOFAC 2010

10 Lumière solaire ou artificielle 1 W/m 2 = 100 lux en lumière solaire AM1,5 Large dynamique : plein soleil 1000 W/m 2, ciel nuageux 200 à 50 W/m 2, intérieur 20 à 4 W/m 2 (artificiel : de 15 à 1 W/m 2 ). ex : à 1000 W/m 2 et 16% de rendement, le Si monocristallin fournit 16 mw/cm 2. Point de fonctionnement fluctue avec température, ensoleillement et état de charge de l accumulateur nécessité d un convertisseur à contrôle MPPT. Aux faibles éclairements, le Si amorphe a un rendement supérieur au Si cristallin. Rendements technologie PV (Source : NREL)

11 Lumière solaire ou artificielle Faibles besoin d énergie en faible éclairement : Si amorphe Montres : accumulateur nécessaire, 6 mois d autonomie consommation < 1 µa sous 1,5 V (1,5 µw) avec une surface de 3 cm 2, un rendement de 4%, de 120 µw à 12 mw 4 mw/cm 2 Source : Citizen Source : Univ. Michigan Faible encombrement, plus fort besoin : Si cristallin Prototype de SmartDust : 2,5 3,5 1mm 3 1 capteur PV, 1 accu Li, 1 processeur «Phoenix» Consommation 5,3 nw (30 pw en veille) soit 10 h de lumière intérieure ou 1,5 h au soleil. Peut stocker les informations pendant 1 semaine. Applications plus forte puissance : Si cristallin Ordinateurs portables : 0,1 m 1000 W/m 2 et 14% 14 W 14 mw/cm 2 Source : Samsung Source : B. Multon, ECOFAC 2010

12 Ondes hertziennes Ressources : Sources existantes : trains de pulses, puissances variables selon distance Systèmes dédiés (émetteurs spécifiques) : Champ électrique ( MHz), champ magnétique (10 MHz et courte distance < λ de 30 m) qq V/m à 10 V/m dans zones de réception 0,1 à 0,5 V/m à 20 cm d une borne wifi 50 mw Source: F. Gallée, Telecom Bretagne 2009 Législation : pb d échauffement des tissus DAS (Débit d Absorption Spécifique) = 2 W/kg localement (pour 10 g de tissus) ou 0,08 W/kg pour le corps entier limites de champ de 28 à 61 V/m selon la fréquence Convertisseur Source µ-onde Rectenna* Rectenna = Rectifying Antenna, soit antenne + redresseur DC Actionneurs Capteurs DC Batterie MPPT*

13 Ondes hertziennes Contraintes de ce type de récupération d énergie: le rendement de la chaîne de conversion de l émetteur au récepteur en passant par l atmosphère reste faible : 40 à 70% pour l émission et 85% pour la réception, la taille des antennes d émission et de réception, le choix de la bande de fréquence ne doit pas perturber les télécommunications et induire des effets physiologiques néfastes. (source: Llibre, CNR IUT2006) Module de réception Dispositif commercial Powercast : émetteur + récepteur 915 MHz -10 à 10dBm 260mW crête Supercondensateur 0,15 F 3V 60 mω Source : Powercast Corp. Emetteur 2,6 W (PIRE) Conso : 24V - 0,3 A (7,2 W) + antenne PIRE (EIRP en anglais) = Puissance isotrope rayonnée équivalente Module ez430-rf2500 (microcontrôleur basse conso et émetteurrécepteur)

14 Vibrations et contraintes mécaniques Techniques de conversion électromécanique Electromagnétique Piézoélectrique Electrostatique Source : Source : IMTEK Roundy et al. Shenck et al. University of Freiburg, Germany

15 Vibrations et contraintes mécaniques Sources mécaniques ambiantes Source : Boisseau et al., Techniques de l Ingénieur RE160, oct. 2010

16 Vibrations et contraintes mécaniques Performances des transducteurs Electromagnétique Piézoélectrique Najafi, COMS 2008, Mexico Mathúna et al., Talanta 75 (2008) 613

17 Vibrations et contraintes mécaniques Bilan qualitatif des différents transducteurs électromécaniques Transducteur électromagnétique Atouts Inconvénients Fréquences basses atteignables Tensions faibles (dépend de freq et N spires ) Rendement limité en faible P Difficultés de miniaturisation : microspires + pertes augmentent Transducteur piézoélectrique Atouts Inconvénients Tensions élevées (qq V) Faibles courants (qq µa voire na) Bande passante étroite et souvent > celle de la source T < 0,5 à 0,7 T Curie Vieillissement (peu étudié) Transducteur électrostatique Atouts Inconvénients Large bande passante, basse fréquence Miniaturisation facile Besoin d une source d énergie initiale pour polariser la capacité en début de cycle (idées : structure hybride piézo-capacitive ou électret)

18 Vibrations et contraintes mécaniques Conclusion sur la récupération d énergie mécanique Puissance récupérée fortement dépendante de la fréquence et de l amplitude Attention à la définition du critère de comparaison ou «facteur de mérite»: P elec, P elec /vol, P elec /acc Attention au surcroît de consommation imposé par la récupération d énergie : cette question ne se pose pas si l amortissement de vibration est utile Ne pas oublier le circuit électronique associé : Objectifs : redressement, régulation de tension, adaptation d impédance, gestion de l énergie (stockage, périodes de veille ) Peut influencer le couplage électromécanique «effectif» par rétroaction sur les grandeurs électriques (cf. travaux du LGEF, Lyon) Attention au bilan d énergie complet

19 Conclusion La récupération d énergie est un domaine très exploré mais encore en évolution : En témoignent les nouvelles applications et les produits commercialisés Ex : Jennic (UK) plate-forme de démonstration WSN (microcontrôleur 32bits, transcepteur, standards ZigBee PRO et 6LoWPAN) combinant récupération d énergie thermique, solaire, RF et vibratoire Peptide nanotubes for energy harvesting (piezoelectricity) Source : Jennic, from NXP Semiconductors Source : Kholkin et al., ACS Nano 2010 Améliorer les performances des solutions existantes permet d accroître les fonctionnalités du WSN, ou d aller vers la miniaturisation.

20 Bilan comparatif Transducteur Performances Références Photovoltaïque Thermique Ondes En extérieur : jusqu à 20 mw/cm 2 En intérieur : qq 10 µw/cm 2 Jusqu à 60 µw/cm 2 50 µw dans 41 mm 3 Gradient 5 C De 10-5 à 10-1 mw/cm 2 [Mathúna08] [Mathúna08], [Gilbert08] [Harb11] Electromagnétique Piézoélectrique Electrostatique 10 mw/(m/s 2 ) 2, 1 mw/(cm 3 (m/s 2 ) 2 ) ex : 3 mw à 80 Hz dans 1,5 cm µw/(m/s 2 ) 2, 200 µw/(cm 3 (m/s 2 ) 2 ) ex : 48mW à 50Hz, dans 80cm 3, pour 10ms µw/(m/s 2 ) 2, 10 µw/(cm 3 (m/s 2 ) 2 ) ex : 460 µw à 50Hz, dans 18 cm 3 [Mathúna08] HSG-IMIt, Allemagne, 2009 [Mathúna08] ARVENI Inc., France, 2007 [Mathúna08] CEA-LETI, France, 2010 Sources : Gilbert et al., Int J. Autom Comput, 05 (2008) 334 Harb, Renewable Energy, 36/10 (2011) 2641 Mathúna et al., Talanta 75 (2008) 613

21 Perspectives Architectures «bidirectionnelles» (a) : par des retours d énergie impulsionnels, créer une «résonance d énergie» afin d améliorer encore le taux de conversion Approche orientée application + conception du système autonome complet (transducteur et circuit électronique «connectés» à la source et à la charge) Nécessité de suivre une stratégie de gestion de l énergie : indispensable d adapter l impédance et/ou de fonctionner en mode MPPT Nécessité de prendre en compte les variations temporelles de la ressource Génération multi-sources environnementales (b) : combiner différentes énergies (attention au «multi-mode» : une seule énergie renouvelable, batterie et super condensateur) (a) (b) Source : Lallart et al., APL 2010 Source : CoolCAD Electronics, LLC. Source : Fujitsu Lab. Ltd.