la rÉcupÉration d’Énergie -...

LA RÉCUPÉRATION D’ÉNERGIE :

quelques applications en microélectronique

Hervé [email protected]. en traitement du signal et télécommunications,Pr. Ag. de physique appliquée, à l’ENSSAT.

Conférence :

CPGE du lycée Dupuy-de-Lôme

Lorient

6 décembre 2012

www.enssat.fr

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Aujourd’hui ?

• Évolution de la technologie :– Diminution de la taille et de la « consommation ».– Nouveau paradigme technologique :

• petits dispositifs embarqués et communicants :– Systèmes portables.– Réseau de capteurs sans fil.

• Défi énergétique à relever :– Problème des batteries (taille et recharge périodique)…– �� les SUPPRIMER !!

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Contexte ?

« ENERGY HARVESTING / ENERGY SCAVENGING / POWER HARVESTING »

• Objectif :– Autonomie des systèmes.– Protection de l’environnement : ressources énergétiques limitées,

pollutions dues aux piles…

• Contraintes : – Quelle ressource énergétique ambiante utiliser ?– Miniaturisation.– Inviolabilité des informations.– Biocompatibilité.– …

• Domaine émergent depuis la fin des années 1990 : – quelques solutions spécifiques astucieuses, – MAIS : aucune standardisation pour l’instant…

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Récupération de l’énergie de la marche à l’aide d’une genouillère (Donelan, fév. 2008) � P = 5 W (1 min de marche = 10 min de téléphone !)

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Applications ?

- Systèmes médicaux implantables. - Domotique.- Réseaux de capteurs autonomes.- Électroniques nomades…

Capteur sans fils (ENSSAT)

Récupération de l’énergie de la marche à l’aide d’une chaussure munie d’un récupérateur et conditionneur d’énergie et d’un émetteur radio 300MHz (MIT, 1998)

5 5

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Ressources énergétiques ambiantes ?

6 6

5 décembre 2012

Pourquoi en parler ici ce soir ?

• En CPGE � nombreux pré-requis.

• Épreuves de concours !..

• Orientation : secteurs d’activité, applications…

• L’ENSSAT : – Enseignement ?– Recherche ?– Lannion (22) ?

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5 décembre 2012

Plan

• I – Problématique de la récupération d’énergie

• II – Récupération d’énergie mécanique

• III – Récupération d’énergie thermique

• IV – Récupération d’énergie photovoltaïque

• V – Récupération d’énergie électromagnétique

• VI – Adaptation de l’énergie

• VII – Gestion de l’énergie

• Applications

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I – Problématique

• Grandeurs physiques : – l’énergie en Joules (J) � mesure de la capacité d'un système à

modifier un état :• au travers de deux formes d’échange :

– travail mécanique (mouvement),– transfert thermique (« quantité de chaleur ») : conduction, convection, rayonnement,

• et selon une certaine vitesse d’échange : la puissance en Watt (W), ou la densité de puissance en W/cm2 ou W/cm3.

( )( )

1 1 (1 1 )p t cstet

p t dtt

W J s J s

= =∆= → =

∆=

∫ P

EE P

par transféré en

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• Propriété fondamentale :

– 1er principe de la thermodynamique : l’énergietotale d’un système isolé se conserve.

– Conséquences :

• l’énergie n’est ni produite ni « consommée », • elle subit seulement et uniquement des transformations d’une forme à une autre.

« Rien ne naît ni ne périt, mais des choses déjà existantes se combinent, puis

se séparent de nouveau » (Anaxagore de Clazomènes : -500/-428).« Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme » (Lavoisier :

1743/1794).

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• Quelques exemples historiques :

Moulin à vent : récupération de l’énergie éolienne

Barrage de la Rance : récupération de l’énergie marémotrice

Dynamo de vélo : récupération d’énergie cinétique

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• Exemple technologique actuel typique :

– réseau de capteurs sans fils (WSN) à « très faible consommation » � l’autonomie énergétique est essentielle.

– solution durable : récupération d’énergie depuis des sources comme les vibrations mécaniques, la lumièreou un gradient thermique.

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– Architecture d’un réseau de capteurs sans fils :

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– Applications des réseaux de capteurs sans fils :• surveillance :

– médicale– environnementale : contrôle de pollutions– des conditions de stockage de denrées alimentaires– de troupeaux de bétails– du réseau électrique SNCF (détection d’intrus …)– …

• protection des personnes :– prévention de catastrophes naturelles– contrôle du trafic routier– contrôle d’édifices (barrages, centrales nucléaires, routes, ponts,…)

– …

• systèmes sans fils de télémesure énergétique (bâtiment)

• …

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• Architecture d’un système autonome :

– système de récupération de l’énergie � physique

– gestion intelligente de la consommation �électronique

– protocoles efficaces et s’adaptant au trafic et àl’énergie disponible � informatique (temps réel)

– dispositif de stockage de l’énergie � physique, chimie

– architecture matérielle/logicielle à très faible énergie et utilisation de ressource � électronique & informatique

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• De la ressource énergétique au besoin :

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énergie ambiante


microgénérateur

circuit de gestion de l’énergie

module

RF

microcontrôleur capteurs MEMS

• MEMS (Microelectromechanical systems) : 1970-1980– microsystème comprenant un ou plusieurs éléments mécaniques,

utilisant l’électricité comme source d’énergie en vue de réaliser une fonction de capteur ou d’actionneur.

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• Une gestion de l’énergie est nécessaire pour :– optimiser la récupération de l’énergie,– ne pas trop surcharger ni trop décharger l’accumulateur,

– optimiser la consommation d’énergie (veille…).

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II – Récupération d’énergie mécanique

• Origine de l’énergie mécanique récupérable :– Vibrations mécaniques de machines,– Ondes acoustiques,– Mouvement humain,– Rotation,– Contraintes,– Chocs.

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20


m

transducteur

suspension (élastique) : k

amortissement (visqueux) : λ

u(t)

y(t) : vibration

z(t)

Boîtier solidaire d’un objet (ex: corps humain, machines…) en mouvement.

• Modèle de récupérateur d’énergie de vibration :

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2

2

( , )

( )

mz z kz my

p j

Z mpH p

Y k p mp

λ

ω

λ

+ + = −

⇓ =

= = −+ +

ɺɺɺɺ ɺ

ℂ

PFD:

régime sinusoïdal :

22


2

2 20

22

20 0

0

0

( )1 21

:

:2 2

pmp

H pp pmp

k pk k

k

m

k km

ωλ ξ

ω ω

ω

λ λξ ω

= − = − + ++ +

=

= =

dusystèmeinertiel

totalréduit

pulsationpropre

amortissement

23


2

20

2 22

20 0

( ) sin( ) ( ) ( ) sin( )

( ) sin( )

1 2

y t Y t z t H j Y t

z t Y t

ω ω ω ϕ

ωω ω ϕ

ω ωξω ω

= ⇒ = −

= −

− +

24


– Puissance instantanée récupérée dans le transducteur :

� �2

222 2

220

2 22

20 0

( ) ( ) ( ) ( )

cos ( )

1 2

p t z t z t z t

Y

t

λ λ

ω ωω

λ ω ϕω ωξω ω

= × =

= −

− +

ɺ ɺ ɺ|forced'amortissement vitesse

visqueux|

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– Soit, en moyenne :

0

0

2 422 2 2 2

20 0

2 2 2 22 20

22 20 0 0 0

3

3 2

02 22

20 0

21 2 1 2

1 2

k

k

m

Y Yk

m Y

λξ ω

ω

ω ωω ωω ωλ ξ

ωω ω ω ωξ ξω ω ω ω

ωξ ωω

ω ωξω ω

↑=

↑

=

= =

− + − +

=

− +

P

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– La puissance maximale récupérable est obtenue lorsque le système est à la résonance :

3 20

max 0; ;4 2

m Y k

mkm

ω λξ ωξ

= = =P

– La puissance maximale récupérable est donc maximisée :• en diminuant l’amortissement : diminuer λ et accroître k• en accroissant la fréquence propre : accroître k• en accroissant l’amplitude Y de l’excitation.

– Ordres de grandeurs actuels :• Quelques dizaines de µWà quelques mWpour des dispositifs de l’ordre de 1g et ayant une fréquence propre de quelques dizaines de Hz.

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• Conversion d’énergie mécanique de vibration :– transducteur utilisant un matériau piézo-électrique

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– L’effet piezo-électrique a été découvert par les frères Pierre et Jacques Curie en 1880 :• Propriété des corps possédant une anisotropie cristalline :– Effet direct : polarisation du matériau sous l’effet d’une contrainte mécanique.

– Effet indirect : apparition d’une déformation mécanique sous l’effet d’un champ électrique appliqué au matériau.

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– Exemple 1 : le générateur suivant, de dimensions 1,3m x 15cm, en polymères piézo-électriques, produit 250mW

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– Exemple 2 : implant cardiaque autoalimenté par les propres vibrations existant à proximité du cœur !

Nouveaux matériaux piézoélectriques(nanotechnologies) : nanotubes d'oxyde de Zinc, non toxiques pour l'organisme et plus sensibles.

Micro-générateur piézoélectrique de seulement 0,5 cm3 (contre 2,5 cm3

pour les piles alimentant les implants cardiaques actuels !).

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• Conversion d’énergie mécanique :– Transducteur utilisant des matériaux magnétiques (loi de Lenz,

1834) :

Efficace à fréquence élevée… mais miniaturisation difficile !

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– Exemple :

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• Lampe torche utilisant un générateur électromagnétique :

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• Conversion d’énergie mécanique :– Transducteur électrostatique : condensateurs variables

Adapté à la miniaturisation.

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– Exemples de transducteurs électrostatiques pour la récupération d’énergie de vibration mécanique :

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– Rendement global d’un dispositif de récupération d’énergie mécanique :

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III – Récupération d’énergie thermique

• Le transfert thermique par convection entre la peau du corps humain et l’air au voisinage est décrit par la loi de Newton (densité surfacique de flux thermique) :

( )

2

22 4 2

2

8 /( ) ; 27

80 / 80 / 100 80 10 /

8 /

h W m C T C

W m W cm W cm

mW cm

ϕ −

≈ ⋅° = °

= = = ⋅

=

air au repos ambsi alors:

�37

2( ) /C

Ph T T W m

Sϕ

≈ °

= = −amb peau

en

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• Conversion d’énergie thermique :– Effet Seebeck (1821):

L’une des soudures entre Fe et Cu est chauffée.

Observation: l'aiguille d'une boussole est déviée lorsqu’elle est placée entre deux conducteurs de natures différentes et dont les jonctions ne sont pas à la même température.

Seebeck pensait à tort qu’il y avait une origine électromagnétique à ce phénomène.

En réalité : une ddp apparaît à la jonction de 2 matériaux soumis àune différence de température.

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• Conclusion : soumis à un gradient thermique, certains matériaux (dits « thermoélectriques ») produisent une fem (effet Seebeck).– Il aura donc fallu attendre plus de 170 années l’arrivée de nanomatériaux prometteurs en termes d’applications de l’effet Seebeck !

• Remarque : inversement, ces mêmes matériaux, parcourus par un courant électrique, développent un gradient thermique (effet Peltier, 1834).

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• Conversion d’énergie thermique (moteur ditherme)

hot coldCarnot

hot hot

W T Te e

Q T

− −= ≤ =efficacité:

Thu Tα= ∆

hot coldT T T∆ = −

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42


• 1982 : Bulova sort la Thermatron, 1ère montre fonctionnant grâce à la chaleur corporelle du poignet :

Une différence de 1,5°C entre la peau/fond du boitier et la partie supérieure de la montre permet à chacun des couples thermiques de générer 0,25 mV.

700 couples thermiques sont arrangés en 4 groupes de 175 couples et produisent 175 mVau total.

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Adaptation de cellules thermoélectriques sur les circuits d’échappement d’automobiles : le courant généré est suffisant pour alimenter le circuit électrique de la voiture �plus besoin d’alternateur !..

Montre Citizen (2001) : 1 242 couples,13,8 µW/K

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• Vêtements thermoélectriques par tissage d’alliages thermoélectriques dans le tissus :

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• Spatial : Générateur thermoélectrique SNAP RTG (Systems for Nuclear Auxiliary Power - Radioisotope Thermoelectric Generator) � source d'énergie pour la ALSEP (Apollo Lunar Surface ExperimentPackage), instruments scientifiques laissés sur la surface lunaire par chaque expédition Apollo.

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IV – Récupération d’énergie photovoltaïque

• Conversion photovoltaïque :

Jusqu’à 20mW/cm2. L’énergie libérée provient de la libération d’électrons faiblement liés au voisinage de l’interface entre deux couches de semi-conducteurs (P et N). Cette libération est due à l’énergie des photons (l’efficacité de conversion est de l’ordre de 10%).

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Petit panneau solaire flexible en polymère.

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( )0 1 ; ; 25 25 ; 1 5D

T

u

VD PV Ph D p Ti I e i i i i V mV Cα α

= − = − − ≈ ° ≤ ≤

à

iPh : courant photoélectrique (traduit la conversion rayonnement lumineux en énergie électrique) ;

D : modélise la jonction PN dont la polarisation détermine la tension uPV ;

Rs et Rp: imperfections du module photovoltaïque.

PVuPVu

PVi PVi

Phi Di

D

2( )W m−Φ ⋅

pR

sRPi

Du

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PVi

PVu

PVu

PVP Maximum

Power Point

La tension, pour laquelle la puissance est maximale, varie !

Un des objectifs du « power management » de la cellule PV est de traquer ce MPP : « Maximum Power Point Tracking »(MPPT).

ΦրccI

COU

MPPI

MPPU

1/ Rcharge opt.

source

de tension

source

de courant

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V – Récupération d’énergie électromagnétique

• Ondes RF : alimentation des étiquettes RFID passives– étiquette RFID passive = antenne bobinée ou imprimée + mémoire ;

– lecteur RFID = antenne créant champ EM qui en traversant l’étiquette, alimente et active la puce lui permettant alors d’émettre son code d’identification.

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VI– Adaptation de l’énergie

• Convertisseur DC-DC : adapte le niveau de tension et la valeur du courant en sortie aux exigences de la charge.

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VII – Gestion de l’énergie

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Applications

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Applications

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Applications

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Applications

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Applications

• Un condensateur déformable inséré dans la semelle d’une chaussure permet de transformer l’énergie mécanique, due à la pression répétitive du pied, en énergie électrique stockable.

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Applications

• Un dispositif électronique de gestion (un hacheur dévolteur ou Buck converter) permet de charger et de décharger en temps voulu le condensateur déformable de façon à en extraire l’énergie électrique avec le meilleur rendement possible.

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Conclusion

• Recherches sur les transducteurs :– À partir de :

• la connaissance du principe physique applicable• et d’une bonne modélisation

– géométrie et matériaux pour maximiser la puissance électrique récupérable ?

• Recherches en microélectronique :– Conception de circuits intégrés capables de mettre en œuvre des « power management techniques » efficaces !• Circuit : mise en veille et de réveil, faible tension d’alimentation, fréquence d’horloge variable en fonction de la charge de travail…

• Architectures reconfigurables automatiquement en fonction de l’activité.

• Algorithmique optimisée.

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Épilogue : l’ENSSAT ?

– École publique d'ingénieurs du concours Télécom INT.

– Classée 50ème / 110 au palmarès I&T (Industrie & Technologies).

– Pôle de recherche dans le domaine des télécoms et des technologies émergentes.

ENSSAT : École Nationale Supérieure des Sciences Appliquées et de Technologie à LANNION (22)

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Épilogue : enseignement à l’ENSSAT ?

• EII : électronique– conception de circuits intégrés– traitement numérique d’images et audio– communications numériques…

• OPT : photonique– spectroscopie par transformée de Fourier– LASER, fibres optiques – imagerie RMN…

• LSI : informatique– réseaux, codage– traitement de la parole– Cryptographie…

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Épilogue : recherche à l’ENSSAT ?

• 5 équipes de recherche dans 3 UMR (Irisa, Foton, IETR) dont 2 multi-sites :

– CAIRN : efficacité énergétique ; systèmes sur puces reconfigurables, communications sans fil, cryptographie appliquée et sécurité numérique.

– TSI2M : développement de méthodes et d’outils de traitement et d’analyse d’images multi/hyperspectrales pour l’aide à l’interprétation et à la décision.

– FOTON : fonctions optiques pour les technologies de l’information.

– PILGRIM : interrogation flexible de bases de données, gestion de données imprécises/incertaines, médiation, planification d’itinéraire.

– CORDIAL : technologies vocales et interaction.

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Épilogue : LANNION ?

• Lannion : siège du pôle de compétitivité Images & réseaux à vocation mondiale– nouveaux usages et nouveaux services, – convergence : audiovisuel, télécommunications, technologies de l'information.

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Épilogue : LANNION ?

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