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Génération d'énergie à partir des ressources disponibles dans l’environnement h

Génération d'énergie à partir des ressources disponibles dans l’environnement humain SATIE UMR CNRS 8029 Ecole Normale Supérieure de Cachan Antenne de Bretagne Marianne Lossec, Bernard Multon, Hamid Ben Ahmed M2R Mécatronique, le 1 Décembre 2010 2/60 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 mécaniques L’émission de chaleur Les rayonnements électromagnétiques Conversion électromécanique Conversion thermoélectrique Conversion photovoltaïque Conversion à partir d’onde électromagnétique 3/60 Les ressources mécaniques Les ressources du corps humain Les 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 chimique en énergie mécanique environ de 25% Puissance mécanique 150 W 400 W 40 W 4/60 Les ressources mécaniques Les ressources du corps humain Les 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 5/60 L’émission de chaleur L’émission de chaleur du corps humain L’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 P h.(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 6/60 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 7/60 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/m dans 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 8/60 Les rayonnements électromagnétiques Ondes radio Roosli, « Statistical Analysis of Personal Radiofrequency Electromagnetic Field Measurements With Nondetects », 2008 Répartition hebdomadaire: moyenne de 109 participants 9/60 Mouvements (vibratoires, humains…) Chaleur Lumière (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 10/60 Chaine de conversion d’énergie Ressource énergétique continue, fluctuante, intermittente Transducteur (conversion en énergie électrique) T Convertisseur électronique de puissance C Utilisation continue, 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…) 11/60 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 mécaniques L’émission de chaleur Les rayonnements électromagnétiques Conversion électromécanique Conversion thermoélectrique Conversion photovoltaïque Conversion à partir d’onde électromagnétique 12/60 Conversion électromécanique La conversion piézoélectrique La conversion électromagnétique La conversion électrostatique Principe: Exemple: Dynamo de vélo Entrainement d’une génératrice suivant un mouvement mécanique simple (translation ou rotation) mouvements mécaniques quelconques Arnold, « Review of microscale magnetic power generation. », 2007 13/60 Conversion électromagnétique Générateur linéaire (Laboratoire SATIE) t) cos(ω X x(t) 0 M Mouvement de la hanche: 2 .L .ω m.X P max 3 0 M max 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’ 14/60 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 manivelle Freepaly 45 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 15/60 Conversion électromagnétique Lampe "Lavrans Laading" Nightstar flashlight À secouer, stockage dans condensateur 30 secondes de secousses (à 3 Hz) -> 5 minutes de lumière intense puis 2 minutes de lumière plus faible environ 390 g. Stockage dans un ressort 2 à 3 minutes d’éclairage Lampes rechargeables 16/60 Conversion électromécanique La conversion piézoélectrique La 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 17/60 Les matériaux piézoélectriques: PZT PVDF Conversion piézoélectrique J.A.Paradiso, M.Feldmeier, 1999, www.media.mit.edu 18/60 Conversion piézoélectrique Chaussures piezoélectrique avec convertisseur électronique, élément de stockage et émetteur radio 300MHz Rendement global : 17% Talon: Pmoy=8.3mW Doigts de pied: Pmoy=1.3mW J.A.Paradiso, M.Feldmeier, 1999, www.media.mit.edu Chaussures piézoélectriques 19/60 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 mm Épaisseur 15 mm 20/60 Conversion piézoélectrique Sac à dos (Université de Technologie 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 bon rendement. Mais laboratoire LGEF: amélioration des rendements de 400%. P<nW 21/60 Conversion électromécanique La conversion piézoélectrique La conversion électromagnétique La conversion électrostatique Principe: Mouvements des électrodes de la capacité mouvements mécaniques quelconques 2 1 W CU 2 Q CU 2 1 Q W 2 C C f(d) 22/60 Conversion électrostatique 6 à 8 W Source : Amirtharajah Meninger 2000/2001 via Mitchenson et al IEEE 2008 23/60 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 mécaniques L’émission de chaleur Les rayonnements électromagnétiques Conversion électromécanique Conversion thermoélectrique Conversion photovoltaïque Conversion à partir d’onde électromagnétique 24/60 Conversion thermoélectrique Effet thermo-électrique (effet Seebeck) αΔT E Thermocouple Module thermoélectrique + - 25/60 Conversion thermoélectrique Cellules de tellurure de bismuth 120m x 120 m Seiko THERMIC 1998 Générateur : 22 W sous 0,3 V Convertisseur 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 26/60 Conversion thermoélectrique Technologies basés sur les nanomatériaux (CEA-Liten): Technologie au stade de prototype, tissu composé de nylon dans lequel sont tissés des fils de deux alliages différents Interrupteur sans fil, commandé par la chaleur de la main: Vêtements « thermoélectriques »: Un démonstrateur pour un système ARVA a été réalisé 27/60 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 mécaniques L’émission de chaleur Les rayonnements électromagnétiques Conversion électromécanique Conversion thermoélectrique Conversion photovoltaïque Conversion à partir d’onde électromagnétique 28/60 Conversion photovoltaïque Principe cellule PV VpV IpV EPV EPV Points de puissance maximale 29/60 Conversion photovoltaïque Les 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/m² Avec 16% de rendement : 160 W/m² ou 16 mW/cm² 30/60 Conversion photovoltaïque Kit capteur communicant (Source : Cymbet Corp) Capteur autonome Dans 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 nécessaire 6 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 31/60 Plan de l’exposé 1 Les ressources énergétiques uploads/Litterature/ presentation-m2r-2010-lossec 1 .pdf