Le document présente les défis et solutions liés à la récolte d'énergie ambiante pour alimenter des réseaux de capteurs autonomes destinés à la surveillance de l'environnement. Il explore diverses technologies de production d'électricité, telles que la photoélectricité, l'électromagnétisme et la piézoélectricité, tout en soulignant l'importance de la gestion de l'énergie pour ces systèmes. Les réseaux de capteurs sans fil, alimentés par l'énergie ambiante, sont mis en avant comme des outils essentiels pour monitorer les ressources vitales et détecter les nuisances.

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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16. Cellules solaires photovoltaïques
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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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18. Éléments piézoélectriques
Clichés Smart Material
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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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20. Exemples concrets
Cliché PMG Perpetuum Cliché Orange UK
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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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22. Thermogénérateur
Cliché Micropelt
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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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