Génération d'énergie à partir des ressources disponibles dans

l’environnement humain

SATIE UMR CNRS 8029 Ecole Normale Supérieure de CachanAntenne de Bretagne

Marianne Lossec, Bernard Multon, Hamid Ben Ahmed

M2R Mécatronique, le 1 Décembre 2010

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Plan de l’exposé

1 Les ressources énergétiques

2 Les différents principes de conversion et leurs applications

3 Etude d’un système de conversion mécatronique

Les ressources mécaniquesL’émission de chaleurLes rayonnements électromagnétiques

Conversion électromécaniqueConversion thermoélectriqueConversion photovoltaïqueConversion à partir d’onde électromagnétique

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Les ressources mécaniques

Les ressources du corps humainLes vibrations ambiantes

- Mouvements volontaires: pédaler, tourner une manivelle, tirer…

- Mouvements naturels: efforts sous les pieds, articulations, pendulations…

Starner, « Human-Powered Wearable Computing », 1996

1 calorie = 4,18 J

Mais rendement conversion énergie chimiqueen énergie mécanique environ de 25%

Puissance mécanique

150 W

400 W

40 W

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Les ressources mécaniques

Les ressources du corps humainLes vibrations ambiantes

-Vibrations mécaniques: machines tournantes, véhicules…caractérisées en fréquence et accélération

- Vibrations acoustiques: bruit ambiant

Densité de puissance: 200 μW/cm3

Bruit de 0dB (seuil d’audition): 1 pW/m2

Bruit de 100dB (marteau piqueur): 1 mW/m2

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L’émission de chaleur

L’émission de chaleur du corps humainL’émission de chaleur ambiante

La température du corps est régulée à environ 37°C

Si Tamb < Tpeau : flux de chaleur vers l’extérieur peau amb

Ph.(T T ) W / m²

S

Ordre de grandeur :dans l’air au repos : h 8 W/(m².°C), ainsi pour un écart de 15°C (ambiance à 22°C)

la peau nue dissipe 120 W/m² ou 12mW/cm²

Les vêtements limitent la puissance dissipée en réduisant le coefficient d’échange

- Machines thermodynamiques: réfrigérateur,…

- Pot d’échappement des voitures: gaz pouvant atteindre 700°C

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Les rayonnements électromagnétiques

Soleil: Puissance du rayonnement reçu sur Terre jusqu’à 1 kW/m² (soit 100 000 lux)

Soleil voilé : 500 W/m² ( 50 000 lux)

Ciel nuageux : 200 à 50 W/m² ( 20 000 à 5000 lux)

éclairages artificiels: 2 à 10 W/m² (200 à 1000 lux )

Lumière visible

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Les rayonnements électromagnétiques

Observations Univ. Liège 0,1 à 0,5 V/m (à 20 cm d’une borne wifi 50 mW)

Observations Cartoradio qq V/m à 10 V/mdans les zones de réception (en 900 et 1800 MHz)

Normes OMS (1999): (bande de fréquence 10 MHz-19GHz : pb d’échauffement des tissus) 4,5 à 9 W/m² (41 V/m et 58 V/m) à 900 et 1800 MHz Définition du DAS (Débit d’Absorption Spécifique) :

- 0,08 W/kg pour le corps entier- 2W/kg localement (10g de tissus)

Coefficient de sécurité différents suivant les pays.

Source : F. GALLEE Télécom Bretagne, mars 2009

Ondes radio

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Les rayonnements électromagnétiques

Ondes radio

Roosli, « Statistical Analysis of Personal Radiofrequency Electromagnetic Field Measurements With Nondetects », 2008

Répartition hebdomadaire: moyenne de 109 participants

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Mouvements (vibratoires, humains…)ChaleurLumière (solaire, artificielle)Ondes radio

Récupération (scavenging, harvesting)

Transducteur (convertisseur en électricité)

Conversion électronique de puissance (adaptation)et/ou stockage

Utilisation/gestion

Ressources énergétiques

Chaine de conversion d’énergie

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Chaine de conversion d’énergie

Ressource énergétique

continue,fluctuante,

intermittente

Transducteur(conversion en

énergie électrique)

T

Convertisseur électronique de puissance

C

Utilisationcontinue,

fluctuante, intermittente

Stockage

Le stockage permet :- de suppléer les intermittences de production- de découpler énergie et puissance (la puissance délivrée par l’accumulateur peut être supérieure à celle en sortie du convertisseur)

Nécessité d’une gestion d’énergie pour :- optimiser la récupération d’énergie- ne pas surcharger l’accumulateur et ne pas trop le décharger- optimiser éventuellement la consommation (mode veille, stratégies internes…)

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Plan de l’exposé

1 Les ressources énergétiques

2 Les différents principes de conversion et leurs applications

3 Etude d’un système de conversion mécatronique

Les ressources mécaniquesL’émission de chaleurLes rayonnements électromagnétiques

Conversion électromécaniqueConversion thermoélectriqueConversion photovoltaïqueConversion à partir d’onde électromagnétique

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Conversion électromécanique

La conversion piézoélectriqueLa conversion électromagnétique

La conversion électrostatique

Principe:

Exemple: Dynamo de vélo

Entrainement d’une génératricesuivant un mouvement mécanique simple

(translation ou rotation)

mouvements mécaniques quelconques

Arnold, « Review of microscale magnetic power generation. », 2007

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Conversion électromagnétiqueGénérateur linéaire (Laboratoire SATIE)

t)cos(ωXx(t) 0MMouvement de la hanche:

2

.L.ωm.XP max

3

0Mmax

avec XM=2.10-2m et f0=2Hz

Pmax 10mW

Boîtier solidaire de la hanche

L(t) Lo

++

h(t)

Sol

x(t)

hanche

k’

m

masselotte

k=2.k’

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Conversion électromagnétique

Chargeur à pied « Stepcharger » (Nissho)jusqu’à 6 W

Chargeurs divers, mouvements volontaires

Chargeur à main « Alladin Power » (Nissho)

1,6 W pour 90 cycles par minute

Chargeur à manivelleFreepaly45 secondes de remontage donnent 3 à 6 min d’appel

Chargeur souris verte (LSV Production)

À tirette et ressort de rappel, 1.5 W, 110g

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Conversion électromagnétique

Lampe "Lavrans Laading"

Nightstar flashlightÀ secouer, stockage dans condensateur30 secondes de secousses (à 3 Hz)-> 5 minutes de lumière intense puis 2 minutes de lumière plus faible

environ 390 g.

Stockage dans un ressort2 à 3 minutes d’éclairage

Lampes rechargeables

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Conversion électromécanique

La conversion piézoélectriqueLa conversion électromagnétique

La conversion électrostatique

Principe:

Polarisation électrique du matériau

Contrainte mécanique sur le matériaux

Les matériaux piézoélectriques:- Céramiques, par ex. zircotitanate de plomb (PZT), déformations de l’ordre de 0,1 %,coût relativement faible- Polymères, par ex. polyvinylidène difluoré (PVDF), adaptés aux grandes déformations et aux hautes fréquences

Exemple: Allume gaz

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Les matériaux piézoélectriques:

PZT

PVDF

Conversion piézoélectrique

J.A.Paradiso, M.Feldmeier, 1999, www.media.mit.edu

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Conversion piézoélectrique

Chaussures piezoélectrique avec convertisseur électronique, élément de stockage etémetteur radio 300MHz Rendement global : 17%

Talon: Pmoy=8.3mWDoigts de pied: Pmoy=1.3mW

J.A.Paradiso, M.Feldmeier, 1999, www.media.mit.edu

Chaussures piézoélectriques

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Conversion piézoélectrique

Impulsion de 15N 1 mJ pour V=3V transmission à 15m

Impulsion de 8N 100 μJ pour V=3.3V

Emetteur à bouton poussoir

J.A.Paradiso, M.Feldmeier, 1999, www.media.mit.edu

www.enocean.com

Télécommande sans pile (PTM100) Interrupteur sans fil (PTM100)

Pastille PZT, diamètre 5 mmÉpaisseur 15 mm

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Conversion piézoélectriqueSac à dos (Université deTechnologie du Michigan):Vmarche=3-4km/h P=45mW

Nanofils d’oxyde de zinc (Université de Georgie):

Discothèque (Rotterdam et Londres):Une personne P=20mW

P=8uW/cm2

Diamètre et la longueur des fils: de 1/5000 à 1/25ème fois le diamètre d'un cheveu humain

Difficile de récupérer une énergie impulsionnelle, haute tension, avec un bonrendement. Mais laboratoire LGEF: amélioration des rendements de 400%.

P<nW

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Conversion électromécanique

La conversion piézoélectriqueLa conversion électromagnétique

La conversion électrostatique

Principe:

Mouvements des électrodes de la capacité

mouvements mécaniques quelconques

21W CU

2

Q CU

21 QW

2 C

C f (d)

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Conversion électrostatique

6 à 8 W

Source : Amirtharajah Meninger 2000/2001 via Mitchenson et al IEEE 2008

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Plan de l’exposé

1 Les ressources énergétiques

2 Les différents principes de conversion et leurs applications

3 Etude d’un système de conversion mécatronique

Les ressources mécaniquesL’émission de chaleurLes rayonnements électromagnétiques

Conversion électromécaniqueConversion thermoélectriqueConversion photovoltaïqueConversion à partir d’onde électromagnétique

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Conversion thermoélectrique

Effet thermo-électrique (effet Seebeck) αΔTE

Thermocouple Module thermoélectrique

+

-

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Conversion thermoélectrique

Cellules de tellurure de bismuth 120 m x 120 mSeiko THERMIC

1998

Générateur : 22 W sous 0,3 VConvertisseur électronique élévateur à 1,5 V

Source : J. Stockholm, « Génération Thermoélectrique »,JEEA Cachan mars 2002.

Source : Leonov (IMEC), JRSE 2009

Alimentation d’un oxymètre communicant : conso 62 W,

capacité de génération 200 W,

stockage par supercondensateur 22 mF

Montre

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Conversion thermoélectriqueTechnologies basés sur les nanomatériaux (CEA-Liten):

Technologie au stade de prototype, tissucomposé de nylon dans lequel sonttissés des fils de deux alliages différents

Interrupteur sans fil, commandé par la chaleur de la main:

Vêtements « thermoélectriques »:

Un démonstrateurpour un systèmeARVA a été réalisé

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Plan de l’exposé

1 Les ressources énergétiques

2 Les différents principes de conversion et leurs applications

3 Etude d’un système de conversion mécatronique

Les ressources mécaniquesL’émission de chaleurLes rayonnements électromagnétiques

Conversion électromécaniqueConversion thermoélectriqueConversion photovoltaïqueConversion à partir d’onde électromagnétique

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Conversion photovoltaïque

Principe cellule PV

VpV

IpV

EPV EPV

Points de puissance maximale

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Conversion photovoltaïqueLes différentes technologies

Source : Reich et al., 21st European Photovoltaic Solar Energy Conf. 2006

Aux faibles éclairements(moins de 3 W/m² ou 300 lux) :

rendement aSi > rendement Si cristallin

- Silicium polycristallin et monocristallin ( : 12 à 16%)

- Silicium amorphe (aSi) rigide ou souple ( : 2 à 6%)

À 1000 W/m²Avec 16% de rendement : 160 W/m²

ou 16 mW/cm²

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Conversion photovoltaïque

Kit capteur communicant

(Source : Cymbet Corp)

Capteur autonomeDans 2,5 x 3,5 x 1mm :1 capteur PV 1 accumulateur lithium intégré (film mince, Cymbet)1 circuit électronique basse conso(microproc. ARM Cortex-M3) (Source : Univ. Michigan)

Montres

Accumulateur nécessaire6 mois d’autonomie possible

(Source : Citizen)

90 x 50 mm

Consommation d’une montre :< 1µA sous 1,5 V (1,5 µW)

Production PV avec 4%et surface de 3 cm² :

12 mW à 120 µW(11 s/jour à 18 min/j)

Faibles besoins d’énergie en faible éclairement : Si amorphe

Faibles encombrements, plus forts besoins : Si cristallin

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Plan de l’exposé

1 Les ressources énergétiques

2 Les différents principes de conversion et leurs applications

3 Etude d’un système de conversion mécatronique

Les ressources mécaniquesL’émission de chaleurLes rayonnements électromagnétiques

Conversion électromécaniqueConversion thermoélectriqueConversion photovoltaïqueConversion à partir d’onde électromagnétique

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Conversion à partir d’ondes EM

Nécessité: système de récupération d’énergie (antenne) ait une grande surface ou qu’il soit très proche de l’émetteur

Si champ électrique = 1V/m P=0,26μW/cm²Si champ électrique = 10V/m P=26μW/cm²

Source : Powercast

Atténuation variable avec la distance selon directionalité

Source : F. GALLEE Télécom Bretagne, mars 2009

Exemple antenne Wifi (2,45 GHz) 100 mW

0,3 W/cm²

Densité de puissance (W/m²):

E²/Z (Z 380 )

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Conversion à partir d’ondes EMConvertisseur d’énergie: Radiopile

Rendement proche de 80%, pour Pe=15dBm (30mW) et f=2.45MHz

Application: récupération des ondes TV (Intel Seattle) pour alimenter un capteur de température avec affichage LCD

- Système de récupération à 4.1km de l’antenne d’émission- Puissance de l’antenne d’émission: 960kW à 674-680MHz- Rendement de conversion RF/DC: 27%

Puissance récupérée:

P=60μW(0.1μW/cm2)

Source : Alexandre Douyère,Thèse 2008

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Conversion à partir d’ondes EM

Application typique: RFID: récupération de données à distance

http://www.trevise-consulting.com

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Synthèse

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Plan de l’exposé

1 Les ressources énergétiques

2 Les différents principes de conversion et leurs applications

3 Etude d’un système de conversion mécatronique

Les ressources mécaniquesL’émission de chaleurLes rayonnements électromagnétiques

Conversion électromécaniqueConversion thermoélectriqueConversion photovoltaïqueConversion à partir d’onde électromagnétique

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Générateur multisource

Contexte de l’étude:

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Générateur multisource

Travail de thèse:

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Le générateur cinétique

Fonctionnement global du générateur:

Mouvements masse oscillante Charge ressort solénoïdal

Décharge du ressort Rotation de la micro-génératrice

Redressement Energie électrique stockée dans un accumulateur tampon

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Cliquets + ressort

Fonctionnement des roues à cliquets:

Fonctionnement du ressort spiral:

Rôle: permettent au ressort de s’enrouler toujours dans le même sens

Roue à cliquet (sens horaire)

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Charge du ressort

Ressort spiralMasselotte

GénératriceMultiplicateur

Multiplicateur+ roues à cliquets

Quand est que le ressort se décharge?

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Fonctionnement de la Génératrice

Fonctionnement de la génératrice:

Interaction des aimants avec la denture statorique couple de détente Td

Structure à stator à griffes, monophasé, rotor à aimants, 7 paires de pôles

43/60

Fonctionnement de la génératrice:

Interaction des aimants avec la denture statorique couple de détente Td

Structure à stator à griffes, monophasé, rotor à aimants, 7 paires de pôles

1 2

3 4

Fonctionnement de la Génératrice

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Fonctionnement de la génératrice:

Interaction des aimants avec la denture statorique couple de détente Td

Structure à stator à griffes, monophasé, rotor à aimants, 7 paires de pôles

1

2

3 4

Fonctionnement de la Génératrice

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Interaction ressort/génératrice

Charge du ressort, interaction ressort/génératrice

Quand TG>Td Décharge du ressort

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Modélisation

Modélisation sous Matlab Simulink

Modélisation de la masselotte

Modélisation de la chaine de conversion

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Equations du PFD

Principe fondamental de la dynamique (PFD): appliqué à la génératrice

Couple du ressort transmis sur l’arbre du rotor:

Couple de détente de la génératrice:

Couple électromagnétique de la génératrice:

Couple de frottement visqueux:

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Simulation d’une décharge à vide

Schéma bloc d’une décharge à vide:

Force électromotrice (fem):

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Simulation de l’essai du lâcher

Essai du lâcher:

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Débit sur bus continu (1/2)

Système Autoquartz connecté à un élément de stockage:

L’énergie récupérée dépend de la tension du bus continue dt

d bus bus

0

W V I dt

G busbus G bus G

G mos

G busG bus G

G mos

G bus

E VI si E V et E 0

R R

E Vsi E V et E 0

R R

0 si E V

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Débit sur bus continu (2/2)

Forme d’onde pour différentes tension Vbus:

Vbus=2V Vbus=4V Vbus=6V

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Stockage de l’énergie

Dans le cas d’un débit sur bus continu: accumulateur Lithium-ion

Ajout d’un convertisseur DC-DC:

Questions? Le gain en énergie est-il positif? Utilité d’ajouter un convertisseur?

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Redimensionnement

Raideur du ressort

Epaisseur dela masselotte

Dimension de la génératrice

Rapport demultiplication

Rapport demultiplication

Comment évolue les performances de la génératrice lors d’un changement

homothétique ?

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Loi d’échelle (1/6)

Accroissement homothétique de la dimension linéaire lG:

Couple de détente Td

Flux inducteur Φf

Résistance interne RG

Inertie du rotor JG

Coefficient de frottement visqueux fG

avec la force magnétomotrice tel que

ha

Sa

la perméance vue par l’aimant tel que

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Loi d’échelle (2/6)

Accroissement homothétique de la dimension linéaire lG:

Couple de détente Td

Flux inducteur Φf

Résistance interne RG

Inertie du rotor JG

Coefficient de frottement visqueux fG

Conservation du flux: Φ f= BeSe=BaSa avec Ba=Br+μaHa

Théorème d’Ampère: ∑H.l=nI=0 Haha+Hee+Hferlfer=0

Si accroissement homothétique: - Be constant

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Loi d’échelle (3/6)

Accroissement homothétique de la dimension linéaire lG:

Couple de détente Td

Flux inducteur Φf

Résistance interne RG

Inertie du rotor JG

Coefficient de frottement visqueux fG

Sb

lb Sb : surface de la fenêtre bobinable

lb : longueur de bobine

Scuivre = nScond

= kbSb, avec kb coefficient de remplissage

Si n spire, Scond

Scond : surface du conducteur

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Loi d’échelle (4/6)

Accroissement homothétique de la dimension linéaire lG:

Couple de détente Td

Flux inducteur Φf

Résistance interne RG

Inertie du rotor JG

Coefficient de frottement visqueux fG

Inertie d’un cylindre :

Si nombre de paire de pôles constant la masse active M α (l*G)3

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Loi d’échelle (5/6)

Accroissement homothétique de la dimension linéaire lG:

Couple de détente Td

Flux inducteur Φf

Résistance interne RG

Inertie du rotor JG

Coefficient de frottement visqueux fG

Origine: - pertes par courant de Foucault- pertes mécaniques

Pertes par courant de Foucault:eff

22

mag 1 p fer

dBP K ΔB f α V

dt

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Loi d’échelle (6/6)Résultat de simulation:

Energie d’une décharge en fonction du facteur d’échelle l*G

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Conclusion

Le travail de doctorant c’est quoi?

Lire des articles (bibliographie), être curieux, se renseigner sur les recherchesdes autres laboratoires

Réaliser des modèles, faire de l’expérimentation, simuler ces modèles, lesaméliorer

Interpréter des résultats d’optimisation, en dégager l’intérêt scientifique

Echanger avec d’autres scientifiques (encadrants, séminaires, conférences…)

Chercher l’erreur, faire travailler ses méninges

Apprendre tous les jours un peu plus, prendre du recul …..