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 Kelvin
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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’énergie
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3. De l'énergie 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 électricité
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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 d'une 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.
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6. Pour de petits besoins
● DEMTECH s'intéresse à produire l'électricité qui
permet de faire fonctionner des systèmes
électroniques, communicants et autonomes.
– pas de fil pour communiquer,
– pas de fil pour apporter de l'énergie produite ailleurs.
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● Pour disposer d'énergie, on peut : rec ycle
– fabriquer une source, consommer .... puis jeter : pile
– charger, consommer ... puis recharger : batterie, super-
capacité,
– la produire sur place : Ambient Energy-Harvesting
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7. Piles : très pratique, mais ...
● Durée de vie trop courte,
même pour des systèmes
consommant peu.
– quelques mois d'usage,
des années de pollution.
● Certains systèmes
doivent pouvoir être
autonomes tout au long
d'une longue vie.
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8. Ambient Energy-Harvesting
● Produire juste l'électricité 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 adapté
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9. Avec un peu d'énergie, on peut
● Mesurer et Transmettre.
– partout où cela est nécessaire,
– sur des sites difficilement accessibles,
– sur de grandes étendues.
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10. On peut ainsi
● Surveiller nos ressources vitales.
– Disponibilité, répartition, qualité de l'eau
– Qualité de l'air
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11. On peut également
● Détecter les nuisances, les dangers.
– bruit en milieu urbain, sur sites industriels
– feu de forêt
– météores
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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 mobiles
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13. Réseaux de capteurs
sans fil, autonomes
● Constituent un outil de mesures comme on n'en a
jamais eu.
– réseaux locaux radio interconnectés à travers une
infrastructure de téléphonie mobile.
● Chaque nœud de réseau est constitué
– d'un capteur
– d'un transmetteur radio LPLR dans une bande ISM
– d'une source de type Ambient Energy-Harvesting
– d'un gestionnaire d'énergie pour ne pas en perdre une
goutte.
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14. Ambient Energy-Harvesting
● Certains phénomènes permettent de passer d'une
forme d'énergie à une autre.
● On peut produire de l'électricité à partir de :
– La lumière : photoélectricité
– Les vibrations, les chocs : piézoélectricité,
électromagnétisme
– Les différences de température : thermoélectricité
– Les mouvements de fluides (eau, air) :
électromagnétisme, piézoélectricité
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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 d'énergie.
● L'éclairage artificiel est peu efficace.
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17. Piézoélectricité
● Certains matériaux (ex. PZT : Titano-Zirconate de
Plomb) ont la propriété de produire une tension
électrique lorsqu'on les déforme.
– sont souvent utilisés comme capteurs de chocs, de
vibrations ou de déformations, comme moteurs
– peuvent également être utilisés comme générateurs
d'énergie.
● On peut en faire des barreaux, des plaques et des
fils.
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19. Électromagnétisme
● Déplacer un aimant devant une boucle
conductrice.
– l'aimant peut tourner ou vibrer.
● Exploiter la rotation :
– dynamos et alternateurs
– DEMTECH développe un « embrayage électronique »
● Exploiter les vibrations :
– un amplificateur mécanique résonnant permet
d'exploiter des vibrations de très faible amplitude
– petit et léger (~ 100g)
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21. Thermoélectricité
● Basée sur l'effet Seebeck :
– une différence de température dans un conducteur
électrique provoque l'apparition d'une tension
électrique.
– largement exploité pour mesurer des températures
(thermocouple)
– Les semi-conducteurs ont un meilleur coefficient
Seebeck que les métaux.
● Peut servir de générateur lorsqu'on intègre des
centaines (des milliers) d'éléments sur un même
support.
– on peut produire jusqu'à 140mV/°C
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23. La gestion de l'énergie
● Lorsque la production ne coïncide pas avec la
consommation, il faut stocker.
– il faut cependant s'assurer 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.
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24. Les 3 clés de la gestion d'énergie
● 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 d'énergie
● Choisir le stock pour
– Fournir l'énergie juste à la demande, en supportant de
très forts à-coups de puissance.
– Tomber rarement en rupture de stock.
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25. Stockage de l'énergie 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)
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26. AEH : Pourquoi maintenant ?
● Les progrès de l'électronique ont validé les
dispositifs de récolte de l'énergie ambiante.
– On sait réaliser des circuits qui consomment très très
peu (ultra low power).
● On peut alors utiliser des phénomènes qui
produisent très peu d'énergie électrique.
– On sait réaliser des circuits suffisamment complexes.
● On peut alors optimiser l'utilisation des dispositifs de
récolte.
L'apparition de l'AEH au début du 21éme siècle
aura l'impact qu'a eu l'apparition des
communications radio au début du 20éme siècle.
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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 sociétés
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28. Merci de votre attention
Vos questions sont
les bienvenues
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