LA RÉCUPÉRATION D ÉNERGIE

LA RÉCUPÉRATION D ÉNERGIE ET SES APPLICATIONS Elie LEFEUVRE Journées Electroniques 2011 Technologies Emergentes et Green SoC-SiP 27 28 octobre, Montpellier, France

Introduction April 27 th 2007 «Bouchon à 2 km» «Corrosion détectée» «Pleine à 98%» «Vous m avez oubliée ici» «Maman, je suis ici» «Nous sommes mures» «Je n ai plus de lait» «J ai besoin d énergie» «C est l heure de la promenade» «Tension artérielle trop élevée» 2

Constituants essentiels Microsystème communiquant sans fil Consommation «minimale» : ~100 µw Quel type d alimentation? 3

Alimentation : fil ou batterie? Réseau de capteurs dans une serre ( Crossbow) Capteur de pression Implant médical Capteurs dans une forêt de séquoias ( University of California) 4

Autonomie en énergie? toujours en marche sans fil sans pile à remplacer facile à installer un peu partout Entrée capteur Réseau Sans fil Capteurs µc Liaison Sans fil Gestion d énergie Lumière Chaleur Mouvements Etc Générateur Stockage D énergie 5

Domaines d application Emballage intelligent Immeuble intelligent Maintenance prédictive Pneu instrumenté «Body area network» 6

Energies exploitables Emballage intelligent Immeuble intelligent RF Maintenance prédictive Pneu instrumenté Thermique PV «Body area network» Mécanique 7

Quelques obstacles à la miniaturisation Micro Energy Harvesting Un concept séduisant mais en pratique??? 8

Quelques obstacles à la miniaturisation «La puissance générée est insuffisante» Tu ne fournis pas assez! Tu consommes trop! Explique l absence de «killer applications» utilisant la récupération d énergie Application Récupérateur d énergie 9

Quelques obstacles à la miniaturisation La réduction d échelle ne «marche» (vraiment) pas pour la récupération d énergie 10 C. Van Hoof (IMEC)

Quelques obstacles à la miniaturisation La réduction d échelle ne «marche» (vraiment) pas pour la récupération d énergie Les performances diminuent fortement avec le volume (Exemple : récupération d énergie vibratoire) MINIMUM REQUIS ETAT DE L ART (~actuel) 11

Quelques obstacles à la miniaturisation Cas particulier des MEMS récupérateurs d énergie mécanique : Les récupérateurs d énergie sont principalement résonants La plupart des fréquences de résonance publiées n ont rien à voir avec les fréquences d environnements réels Aller vers des fréquences plus basses est très pénalisant en terme de masse/volume La fiabilité à long terme est mal maîtrisée Besoin de puissance à très faible accélération (<0,01 g) avec bonne robustesse à forte accélération (>100 g) Problème de gestion de l énergie sous-estimés sanctionne sévèrement toute tentative d application Les coûts sont sous évalués («MEMS = bon marché») ( Liste non exhaustive!) 12

Quelques obstacles à la miniaturisation Conséquence : Toujours pas de «Smart Dust» autonome en énergie Smart Dust Project - volume visé : 1 mm3 (UC Berkeley, 1999-2001) 13

Microgénérateurs : Ordre de grandeur des puissances récupérées - Mouvements / vibrations - Chaleur - Lumière 14

Puissances - Dimensions (µ-)générateurs électromagnétiques : Rotor Générateur Stockage Puissance moyenne : 5 µw (Pmax = 1mW) Micro-dynamo dans une montre-bracelet automatique (Seiko Kinetic, 1994) Puissance = 45 µw @ 60 mg et 50 Hz Volume : 0,15 cm 3 (300 µw/cm 3 ) Beeby et. al., 2006 Puissance moyenne : 3 W Dynamo dans le moyeu d une bicyclette récente (Shimano, 2010) Difficultés d intégration pas (encore) de MEMS électromagnétique performants 15

Puissances - Dimensions (µ-)générateurs piézoélectriques : Pmax = 450 µw @ 1 g et 60 Hz AdaptiveEnergy, 2008 Pmax = 0,6 µw @ 0,25 g et 200 Hz S. Basrour et al., 2011 Pmax = 80 µw @ 0,23 g et 120 Hz S. Roundy et al., UC Berkley, 2004 16 Etat de l art actuel des MEMS piezo «basse fréquence»

Puissances - Dimensions µ-générateurs Thermoélectriques : P = 3 µw/cm 2 @ T = 2 K Montre bracelet «Seiko Thermic» µ-teg de 1994, série limitée de 1998 Générateur thermoélectrique solaire P = 60 mw 150 mw/cm 2 @ T = 200 K ( = 5%) Coût estimé : 0,17 $/watt (MIT & Boston College, 2011) T réduit fortement à petites dimensions pénalise la miniaturisation 17

Puissances - Dimensions µ-générateurs Photovoltaïques : Film mince Silicium sur substrat polymère Flexcell «Pico Beacon» UC Berkeley Wireless Research Center Puissance «typique» : Extérieur : 1 à 20 mw/cm 2 Intérieur : 0,01 à 1 mw/cm 2 18

Démarche de conception d un dispositif de récupération d énergie Exemple : Implant cardiaque auto-alimenté Projet FUI : «Heart Beat Scavenger» 19

Stimulateur actuel Futur stimulateur HBS Implant cardiaque auto-alimenté 8 cm 3 Taille du stimulateur < 1 cm 3 Pile 2.5 cm 3 Source d énergie μ-générateur < 0.5 cm 3 1.5 cm 3 Circuit électronique < 0.3 cm 3 2 x 1D Accéléromètre 1 x 3D 50 µw Consommation 35 µw 20

Implant cardiaque auto-alimenté 1) Technique/technologie de récupération d énergie Sources d énergie : Lumière Chaleur RF radiations Vibrations Opacité des tissus Zone thermo-régulée Limitées Permanentes dans la région du coeur Faciles à transmettre à travers le packaging Transducteurs : Piezoélectrique Electromagnétique Electrostatique Marzencki et al. 2008 Beeby et al. 2006 Beeby et al. 2006 Conversion méca./élec. directe Efficace même à basse freq. Matériaux performants/fiables Efficace à fréq. élevée Miniaturisation difficile Matériaux magnétiques Non compatible IRM 21 Adapté à la miniaturisation Nécessite une précharge ou un électret

Implant cardiaque auto-alimenté 2) Modélisation du récupérateur d énergie Modèle masse ressort (William and Yates, 1999) : Conversion d énergie = amortissement fluide Vrai pour électromagnétique Approximatif pour électrostatique and piézoélectrique Equilibre des forces: Optimisation de l amortissement électrique : faible => petite portion de l énergie convertie fort => déplacement mécanique limité Puissance maximale pour une excitation harmonique : Adaptation de fréquence entre résonance et excitation Amortissement optimal: e = m Déplacement très important si faible Excitation non-harmonique : Nécessite une analyse complète du spectre d excitation Amortissement électrique bande passante + large 22

Implant cardiaque auto-alimenté 3) Caractérisation du gisement d énergie L accélération du coeur n est pas harmonique L accélération doit être mesurée dans la région d intérêt Tout le spectre doit être considéré Réalisation des tests in-vivo Accéléromètres placés dans différents endroits des cavités du coeur Etude sur plusieurs individus et dans différentes conditions Allure typique du spectre d accélération mesuré dans le ventricule droit Pic à la fréquence de battement (1 1.5 Hz) Plateau entre 10 30 Hz (largeur d impulsion du battement) Importantes variations du spectre : Suivant les individus Suivant leur activité Deterrre et al., DTIP 2011 23

Implant cardiaque auto-alimenté 4) Estimation de la puissance récupérable Puissance Puissance théorique: Calculée avec une excitation harmonique intégrée sur tout le spectre Puissance générée proportionnelle à la masse d inertie Ajustée suivant les besoins Amortissement mécanique : ζ m ~0.005 (Typique pour les microsystèmes silicium) Déplacement Compromis : Puissance Déplacement Faisabilité techno. à basse fréquence 24 Deterrre et al., DTIP 2011

Implant cardiaque auto-alimenté 5) Choix / compromis Fréquences d intérêt : Très basses (1-2 Hz) : Très forte densité de puissance (qq. 100 µw/g) Mais : très grands déplacements (qq. cm!) difficulté de fabrication et d intégration Plateau 10-30 Hz : Puissance significative (~30 µw/g) Déplacement raisonnable (mm) => Bon compromis Amortissement électrique : Trop faible (ζ e ~0.01) : Ne profite que d une petite partie du spectre => gain en puissance, mais limité Grand déplacement Trop important (ζ e ~1): Déplacement et puissance très amoindris => Amortissement moyen (ζ e ~0.1) => meilleur compromis Output power Displacement 25 Deterrre et al., DTIP 2011

Implant cardiaque auto-alimenté 6) Conception des µ-générateurs Paramètres de conception: Fréquence de résonance : ~25 Hz Déplacement de la masse : 1-2 mm Puissance théorique : ~30 µw/g Masse d inertie : Matériau : Tungsten Haute densité : ~17.5 g/cm 3 Coût raisonnable ~3.5 g = ~200 mm 3 Ressorts: k~100 N/m Silicium monocristallin Dimensions : longueur 2-3 mm long, largeur 10-30 µm (rapport ~100:1) Volume total : ~15 x 7 x 5 500 mm 3 Puissance théorique : 100 µw Après transduction et conditionnement : Puissance utile récupérée : 35 µw 26

Exemples de produits Commerciaux Automobile Industrie Habitation - Domotique 27

Automobile Système de surveillance des pneus Piezotag (www.piezotag.com) Générateur piézoélectrique Gestion d énergie Capteurs pression / température Microcontrôleur Emetteur RF Masse : 10 grammes 28

Industrie Récupérateurs d énergie vibratoire pour réseaux de capteurs sans fil industriels Récupérateur d énergie : Fréquence de résonance et bande passante réglables Puissance : 20 mw (max) Boîtier inox hermétique Certifié pour environnements agressifs MTTF > 100 ans «Power for life» 29

Habitation - Domotique Détecteur de fumée à cellules PV Flextron Interrupteur sans fil EnOcean Eclairage à LED (Alimentation Thermique) Thermalforce 30

Verrous technologiques D importants progrès à faire à tous les niveaux : AC/DC - DC/DC très basse tension faibles courants de fuite Conditionnement Capteurs / traitement des données Protocoles + économes Liaison RF Conversion d énergie Stockage Supervision système + Efficacité / intégration + Bande passante Hybride / multisources - Fuites + Densité d énergie Stratégies de vie et de «survie» (Bio-inspirées?) 31

Conclusion La «micro» récupération d énergie : Une technologie clé pour le développement de systèmes embarqués communicants totalement autonomes en énergie Avantages : Installation simplifiée des nœuds du système Aucune maintenance Fonctionnement à distance / zones difficiles d accès Spectre d applications extrêmement large Bientôt dans notre environnement quotidien? 32

MERCI DE VOTRE ATTENTION!