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Energy Harvesting

  1. 1. M2M & Ambient Energy­Harvesting ... when every drop of energy counts ! Jean DEMARTINI jean.demartini@demtech.net Commission Eco­TIC  8 février 2011 "If you cannot measure it,  you cannot improve it." Lord Kelvin1 1
  2. 2. M2M Surveillance environnementale ● La surveillance d’espaces ouverts nécessite le déploiement de réseaux de capteurs autonomes. ● Les éléments de ce réseau sont variés : – capteurs – répéteurs – passerelles ● Ils sont souvent placés hors de portée d’une source d’énergie traditionnelle ● DEMTECH utilise des techniques : – de récolte de l’énergie ambiante – de design pour l’économie d’énergie2 2
  3. 3. De lénergie partout ! ● Énergies fossiles primaires ... pas renouvelables à notre échelle des temps. – leur gestion est en train de devenir un souci. ● Énergies renouvelables primaires ... à notre échelle des temps. – la lumière du soleil et tout ce qui en découle. ● Énergies utiles – énergie thermique – énergie mécanique – et surtout électricité3 3
  4. 4. 4 4
  5. 5. Électricité ● Cette énergie secondaire nous intéresse : – facile à transporter – mais difficile à stoker en grande quantité ● Les questions clé, comment : – la produire à partir dune source renouvelable ? – la consommer avec parcimonie ? – en stocker une quantité suffisante ? ● Nos besoins en énergie concerne la mesure. – il en faut donc peu ... si on se débrouille bien.5 5
  6. 6. Pour de petits besoins ● DEMTECH sintéresse à produire lélectricité qui permet de faire fonctionner des systèmes électroniques, communicants et autonomes. – pas de fil pour communiquer, – pas de fil pour apporter de lénergie produite ailleurs. r ● Pour disposer dénergie, on peut : rec ycle – fabriquer une source, consommer .... puis jeter : pile – charger, consommer ... puis recharger : batterie, super- capacité, – la produire sur place : Ambient Energy-Harvesting6 6
  7. 7. Piles : très pratique, mais ... ● Durée de vie trop courte, même pour des systèmes consommant peu. – quelques mois dusage, des années de pollution. ● Certains systèmes doivent pouvoir être autonomes tout au long dune longue vie.7 7
  8. 8. Ambient Energy-Harvesting ● Produire juste lélectricité qui est nécessaire – en tenant compte de la variabilité de sa production, – en tenant compte de la variabilité de son usage. ● Exactement là où on se trouve – pour des systèmes autonomes. ● Avec une optimisation de la consommation – pour des systèmes à ultra basse consommation qui nécessitent une électronique spécifique et un modèle de programmation adapté8 8
  9. 9. Avec un peu dénergie, on peut ● Mesurer et Transmettre. – partout où cela est nécessaire, – sur des sites difficilement accessibles, – sur de grandes étendues.9 9
  10. 10. On peut ainsi ● Surveiller nos ressources vitales. – Disponibilité, répartition, qualité de leau – Qualité de lair10 10
  11. 11. On peut également ● Détecter les nuisances, les dangers. – bruit en milieu urbain, sur sites industriels – feu de forêt – météores11 11
  12. 12. Enfin, on peut ● Superviser – des espaces industriels – des bâtiments "intelligents" ● Surveiller (monitorer) – des espaces urbains – des espaces agricoles – des espaces naturels – des structures fixes et mobiles12 12
  13. 13. Réseaux de capteurs sans fil, autonomes ● Constituent un outil de mesures comme on nen a jamais eu. – réseaux locaux radio interconnectés à travers une infrastructure de téléphonie mobile. ● Chaque nœud de réseau est constitué – dun capteur – dun transmetteur radio LPLR dans une bande ISM – dune source de type Ambient Energy-Harvesting – dun gestionnaire dénergie pour ne pas en perdre une goutte.13 13
  14. 14. Ambient Energy-Harvesting ● Certains phénomènes permettent de passer dune forme dénergie à une autre. ● On peut produire de lélectricité à partir de : – La lumière : photoélectricité – Les vibrations, les chocs : piézoélectricité, électromagnétisme – Les différences de température : thermoélectricité – Les mouvements de fluides (eau, air) : électromagnétisme, piézoélectricité14 14
  15. 15. Photoélectricité ● Éclairer un matériau sensible à la lumière. – un semi-conducteur à base de : ● silicium monocristallin : le meilleur, ● silicium polycristallin : meilleur rapport qualité/prix, ● silicium amorphe : le moins cher ● Très efficace en extérieur ... quand il y a du soleil. – Les rendements effectifs sont assez faibles (5 à 15%), – mais le soleil nous fournit beaucoup dénergie. ● Léclairage artificiel est peu efficace.15 15
  16. 16. Cellules solaires photovoltaïques16 16
  17. 17. Piézoélectricité ● Certains matériaux (ex. PZT : Titano-Zirconate de Plomb) ont la propriété de produire une tension électrique lorsquon les déforme. – sont souvent utilisés comme capteurs de chocs, de vibrations ou de déformations, comme moteurs – peuvent également être utilisés comme générateurs dénergie. ● On peut en faire des barreaux, des plaques et des fils.17 17
  18. 18. Éléments piézoélectriques Clichés Smart Material18 18
  19. 19. Électromagnétisme ● Déplacer un aimant devant une boucle conductrice. – laimant peut tourner ou vibrer. ● Exploiter la rotation : – dynamos et alternateurs – DEMTECH développe un « embrayage électronique » ● Exploiter les vibrations : – un amplificateur mécanique résonnant permet dexploiter des vibrations de très faible amplitude – petit et léger (~ 100g)19 19
  20. 20. Exemples concrets Cliché PMG Perpetuum Cliché Orange UK20 20
  21. 21. Thermoélectricité ● Basée sur leffet Seebeck : – une différence de température dans un conducteur électrique provoque lapparition dune tension électrique. – largement exploité pour mesurer des températures (thermocouple) – Les semi-conducteurs ont un meilleur coefficient Seebeck que les métaux. ● Peut servir de générateur lorsquon intègre des centaines (des milliers) déléments sur un même support. – on peut produire jusquà 140mV/°C21 21
  22. 22. Thermogénérateur Cliché Micropelt22 22
  23. 23. La gestion de lénergie ● Lorsque la production ne coïncide pas avec la consommation, il faut stocker. – il faut cependant sassurer que la production moyenne est égale à la consommation moyenne. – et que la quantité en stock permet de niveler les à- coups. – simple non ? ● Comme la nature refuse de produire juste à la demande, – on ne peut pas éviter de stocker.23 23
  24. 24. Les 3 clés de la gestion dénergie ● Minimiser la consommation moyenne – Ce qui va entraîner des à-coups importants ● Adapter la production moyenne – La nature va imposer ses propres à-coups – Ne pas sur-dimensionner le récolteur dénergie ● Choisir le stock pour – Fournir lénergie juste à la demande, en supportant de très forts à-coups de puissance. – Tomber rarement en rupture de stock.24 24
  25. 25. Stockage de lénergie électrique ● On peut stocker directement les charges électriques – Stockage électrostatique : condensateur – Les meilleurs sont équivalents à une petite batterie : 2 Wh/kg – Très longue durée de vie. ● Stockage électrochimique : batteries – Une grande capacité de stockage : 150 Wh/kg – Durée de vie assez courte – Pleines de produits toxiques – Utilisent une « terre rare » (lithium)25 25
  26. 26. AEH : Pourquoi maintenant ? ● Les progrès de lélectronique ont validé les dispositifs de récolte de lénergie ambiante. – On sait réaliser des circuits qui consomment très très peu (ultra low power). ● On peut alors utiliser des phénomènes qui produisent très peu dénergie électrique. – On sait réaliser des circuits suffisamment complexes. ● On peut alors optimiser lutilisation des dispositifs de récolte. Lapparition de lAEH au début du 21éme siècle aura limpact qua eu lapparition des communications radio au début du 20éme siècle.26 26
  27. 27. Et les usages ? ● Les réseaux de capteurs sans fils servent et vont servir au déploiement de nombreux services : – pour le public : espace urbain, smart grid – pour l’industrie – pour l’agriculture ● Ils vont constituer une nouvelle forme d’infrastructure de nos sociétés27 27
  28. 28. Merci de votre attention Vos questions sont les bienvenues28 28

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