Récupération d’énergie : enjeux et technologies

Récupération d’énergie vibratoire basse fréquence 

Depuis quelques années, le nombre d’objets connectés ne fait que croître de façon considérable. En 2016, on trouvait 6,4 milliards d’objets connectés dans le monde entier et ils devraient être au nombre de 20,4 milliards en 2020 [1]. Récemment, des réseaux de capteurs sans fil (Wireless Sensor Networks – WSN en anglais) ont commencé à être reconnus comme une technique essentielle pour de nouvelles applications [2], notamment le contrôle d’intégrité des structures (Structural Health Monitoring – SHM en anglais) telles que les voies ferrées, les éoliennes, les avions… ; la maintenance préventive de machines industrielles ; ou des dispositifs ou des capteurs autonomes utilisés dans les applications biomédicales comme la surveillance et des soins en continu du patient. Ces capteurs autonomes sont proposés pour être mis en œuvre dans plusieurs secteurs [3], [4] : militaire, industriel, agriculture, BTP, surveillance de l’environnement… La figure 1.1 donnes deux exemples d’utilisation. Figure

Exemples d’applications des réseaux de capteurs sans fil dans

a) le secteur médical, b) le BTP. Le domaine médical suit cette tendance avec l’apparition et l’utilisation de plus en plus fréquente de capteurs biomédicaux implantés, notamment pour la surveillance de la pression artérielle, les pompes et les turbines cardiaques, les stimulateurs (pacemakers, implant cérébraux),… .. Comme le montre la figure 1.2, un capteur est composé de quatre composantes de base : une unité de capture, une unité de traitement, une unité de communication, et une unité d’énergie.  L’unité de capture sert à mesurer des grandeurs physiques comme la température, la pression, l’accélération… Le signal analogique mesuré est ensuite converti en signal numérique adressé à l’unité de traitement.  L’unité de traitement est composée de microcontrôleurs et de microprocesseurs ayant pour rôle de traiter les données acquises et de les enregistrer dans une unité de stockage de données.  L’unité de communication comporte généralement une partie émission et une partie réception interagissant par ondes radio (dont le spectre est situé entre 3 kHz et 300 GHz).  L’unité d’énergie sert à alimenter tous les systèmes électroniques du capteur ; elle est donc vitale pour le bon fonctionnement de ce dernier. Cette unité est constituée de batteries rechargeables ou non. 6 Figure.

L’architecture d’un capteur autonome sans fil

Une longue durée de vie du capteur est nécessaire pour une infrastructure qui dure plusieurs dizaines d’années ou pour le corps humain. Pour augmenter la durée de vie d’un capteur, une gestion optimisée de la consommation d’énergie est essentielle. De gros progrès ont été faits depuis ces dix dernières années dans le domaine électronique pour réduire la consommation électrique des composants dans un capteur. Les composants électroniques de faible puissance, ou d’ultra faible puissance, ont été spécialement conçus, développés et commercialisés dans cette optique. Ainsi, grâce aux efforts pour réduire la consommation d’énergie du capteur, une solution alternative peut entrer en jeu pour remplacer la batterie : la récupération d’énergie ambiante, qui permet de convertir les sources d’énergie présentes dans notre environnement en énergie électrique. En effet, comme le montre la figure 1.3, la puissance initiale récupérée des sources solaires ou vibratoires est comparable à l’énergie fournie par les batteries. Toutefois, la puissance des batteries diminue rapidement au cours du temps et dans des environnements sévères (hautes températures). Le remplacement de ces batteries au bout de quelques années est coûteux, dangereux dans certaines applications et parfois même impossible.. La solution de récupération d’énergie ambiante est donc très prometteuse pour augmenter considérablement la durée de vie des systèmes autonomes sans fil. 7 Figure

Comparaison de la puissance des vibrations, de l’énergie solaire et de diverses technologies de batteries

La technologie de récupération d’énergie solaire est mature et commercialisée depuis plusieurs années, on voit plus souvent des capteurs alimentés par les panneaux solaires dans certaines applications à l’extérieur. D’autres sources d’énergie existent : thermique – gradients ou variations de température ; rayonnante – infrarouge, RF ; chimique – réaction chimique, biochimique. Au risque d’énoncer des évidences, notons toutefois que la récupération d’énergie solaire n’est pas possible dans l’obscurité, la récupération d’énergie thermique ne fonctionne pas quand il n’y pas de gradient de température ou la récupération des vibrations n’est pas réalisable lorsqu’il n’y pas de mouvement… En conséquence, il faut noter qu’aucune solution de récupération d’énergie ambiante universelle n’existe à notre connaissance, il faut donc soigneusement choisir la technologie de récupération d’énergie en fonction de la source d’énergie prépondérante dans l’environnement .La récupération d’énergie vibratoire est moins mature et la récupération d’énergie vibratoire basse fréquence est encore un domaine qui mérite une phase de recherche et de développement plus intense pour la rendre utilisable dans les applications réelles. Dans le cadre de notre thèse, nous nous orientons vers la technologie de récupération d’énergie vibratoire basse fréquence. Cette technologie peut être utile dans les applications où l’environnement vibratoire est présent, par exemple le SHM, la maintenance préventive de machines industrielles ou encore les applications biomédicales. Dans ces cas, des sources d’énergies vibratoires sont présentes et récupérables à des fins d’alimentation électrique.

Récupération d’énergie vibratoire 

Là où il y a de la vie, il y a du mouvement ! Le mouvement est omniprésent : le mouvement humain ou celui des animaux, le mouvement des véhicules, ou encore des machines dans l’industrie, …. Très souvent, ce mouvement éloigne, puis ramène à une position de départ, il s’agit alors d’un mouvement d’oscillation mécanique autrement appelé une vibration. Elle est généralement caractérisée par son amplitude d’accélération (en m/s2 ou g, unité d’accélération de la pesanteur à la surface de la Terre) et son spectre de fréquence (en Hz). La figure 1.4 montre un exemple de la vibration d’un cœur avec son spectre et son amplitude d’accélération [14]. Le tableau 1.1 montre la caractérisation de différentes sources vibratoires en termes de fréquence et d’amplitude de l’accélération du mode fondamental [11]. Nous pouvons constater que les fréquences fondamentales des sources vibratoires réelles sont relativement basses (< 200 Hz) et que les amplitudes d’accélération sont faibles (< 1 g). En conséquence, pour récupérer l’énergie vibratoire ambiante pour des applications réelles, il faut réaliser des générateurs fonctionnant à des fréquences inférieures à 200 Hz. Figure 1.4 : Spectre de vibration relevé au niveau du cœur [14]. 9 Tableau 1.1 : Amplitude d’accélération et fréquence fondamentale de vibrations de différentes sources [11]. De plus, dans certaines applications telles que des dispositifs biomédicaux, des dispositifs portables, des capteurs autonomes dans un réseau communicant, la miniaturisation des dispositifs est un enjeu important. Pour ces dernières applications, les dispositifs de récupération d’énergie vibratoire doivent s’adapter aux conditions et répondre aux critères suivants :  une faible accélération (< 1 g),  une gamme de fréquences très basse (< 200 Hz),  un encombrement minimal (< 1 cm3 [13]),  une longue durée de vie (> 15 ans [15]). 

Technologies de récupération d’énergie vibratoire

 Il y a principalement trois méthodes de récupération d’énergie vibratoire : les transductions électromagnétiques, électrostatiques et piézoélectriques. Nous allons présenter brièvement ces trois méthodes de récupération d’énergie vibratoire dans les sections suivantes. 

Générateurs électromagnétiques 

Ce type de générateur fonctionne grâce à l’effet électromagnétique du mouvement relatif d’un conducteur dans un champ magnétique. La vibration ambiante excite la base du 10 système, ce qui entraîne un mouvement de translation relatif de l’aimant par rapport à la bobine. Ce mouvement oscillant relatif provoque une variation du flux magnétique à l’intérieur de la bobine [16] (cf. figure 1.5). La tension induite dans la bobine peut être déterminée par la loi de Faraday : 𝜀 = 𝑑𝛷𝐵 𝑑𝑡 (1) où ε est la tension induite et ΦB est le flux magnétique. La tension en circuit ouvert à travers la bobine est donnée par [17] : 𝑉𝑂𝐶 = 𝑁. 𝐵. 𝑙 𝑑𝑥 𝑑𝑡 (2) où N est le nombre de spires de la bobine, B est l’induction magnétique, l est la longueur d’un enroulement, et x est le déplacement relatif de l’aimant par rapport à la bobine. La puissance électrique récupérée est transmise à la charge RL. Figure 1.5 : Schéma d’un générateur d’énergie vibratoire électromagnétique à un degré de liberté. Cette technologie est assez mature avec l’apparition de produits sur le marché, notamment dans les applications industrielles utilisant des machines tournantes et dans les applications ferroviaires. Ces produits ont généralement un volume de quelques dizaines de centimètres cubes. Le modèle DICE de la société Kinergizer qui a un volume de 36 cm3 peut récupérer une puissance maximale de 2,5 mW (en fonction du niveau de vibration < 10 g) . 11 La société suédoise ReVibe Energy propose trois modèles de récupération d’énergie intégrés avec une option de gestion du stockage d’énergie. Le modèle Q a un volume de 15,6 cm3 et un poids de 60 grammes, il peut récupérer une puissance maximale de 150 mW à 1 g d’accélération . Le modèle PMG la société Perpetuum peut fournir une puissance maximale de 27,5 mW, son volume est de 253 cm3 et sa masse est d’environ 1 kg .