Soutenance mémoire
Différentes sources d’énergie récupérables
Parmi les différentes sources d’énergie disponibles dans l’environnement, on distingue l’énergie solaire, éolienne, thermique, mécanique et l’énergie électromagnétique.
L’énergie photovoltaïque
Dans la récupération du rayonnement solaire, les cellules photovoltaïques qui convertissent directement la lumière du soleil en énergie électrique sont déjà largement exploitées pour alimenter des systèmes à faible consommation, par exemple les calculatrices, les montres, les chargeurs…
L’efficacité d’une cellule standard dans des conditions optimales est comprise entre 15 et 22 %. De tels rendements permettent de récupérer, au mieux, de l’ordre de quelques centaines de Watt par mètre carré en plein ensoleillement [2]. Par ailleurs, les études actuelles portent sur de nouveaux matériaux ou sur l’empilement de cellules, pour accroître les rendements à des valeurs proches de 40%.
Cependant, un des inconvénients de ce principe est qu’il ne fonctionne pas de façon optimale tout au long de la journée, car le panneau solaire ne fonctionne que le jour et son efficacité de conversion diminue sous un ciel nuageux et un temps pluvieux.
L’énergie thermique
La récupération d’énergie par effet thermique, est basée sur la différence de température qui existe entre deux matériaux. Il s’agit d’un générateur d’électricité par lequel la chaleur absorbée est directement transformée en énergie électrique.
«Citizen» a également développé une montre thermoélectrique avec une puissance de sortie électrique 13.8 µW/K sous une tension de 515 mV/K [4].
Aujourd’hui la récupération d’énergie par effet thermique n’a pas évolué suffisamment pour être réellement intéressante car l’inconvénient majeur, lors de la réduction d’échelle, est la difficulté à avoir un écart de température important sur de petites dimensions ce qui réduit l’énergie générée. Des recherches ont été effectuées en vue de trouver de nouveaux matériaux [4] permettant d’avoir des écarts de températures plus grands.
L’énergie mécanique
Un récupérateur d’énergie à partir de vibrations mécanique se compose typiquement de 4 unités :
➤ un dispositif mécanique permettant d’optimiser les vibrations mécaniques;
➤ un dispositif électromécanique dont l’objectif est de convertir l’énergie mécanique en énergie électrique;
➤ un circuit électrique d’extraction qui va effectuer la conversion de l’énergie électrique récupérée en énergie électrique exploitable;
➤ un dispositif de gestion et de stockage de l’énergie.
La récupération d’énergie mécanique développée ces dernières années s’appuie sur l’utilisation de structures MEMS (Micro Electro Mechanical System). Ces microstructures sont capables de transformer de l’énergie mécanique en électricité [5]. Son principe consiste à utiliser le mouvement des électrodes d’un condensateur variable électriquement chargé et soumis aux vibrations externes. Une structure fabriquée avec des méthodes issues de la microélectronique a été proposée par P. Basset et al [6]. Cette structure est composée d’une partie mobile en silicium, et d’une électrode inférieure en aluminium déposée sur un substrat de verre figure (1-4). Il s’agit d’une structure de type plan à entrefer variable. La surface occupée est de 66 mm2 , pour une énergie récupérée de 61 nW à 250 Hz pour un niveau d’accélération de 0.25 g.
Différents transducteurs sont utilisables pour la conversion d’énergie du domaine mécanique au domaine électrique. Citons les transducteurs piézoélectriques qui reposent sur la propriété que possède certains matériaux non conducteurs de se polariser électriquement sous l’action d’une contrainte mécanique (effet direct), et inversement de se déformer mécaniquement sous l’application d’un champ électrique (effet inverse).
L’énergie éolienne
Une installation éolienne consiste à utiliser la force du vent pour faire tourner une hélice de grande taille. Lorsque l’hélice de l’éolienne se met à tourner, elle acquiert de l’énergie de mouvement transmise par le vent pour la transformer ensuite en électricité selon le principe de la dynamo. L’énergie éolienne est généralement utilisée à très grande échelle (avec un mat d’une hauteur de plusieurs dizaines de mètres). La puissance maximale générée pouvant être très importante, de l’ordre de 2 MW. Par ailleurs des études ont été menées afin de générer de l’énergie à partir de dispositifs de petites tailles. La référence [7] représente un dispositif qui exploite la force du vent comme source d’énergie afin d’alimenter un anémomètre. Une petite station éolienne est utilisée figure (1-5) avec une mini turbine capable de produire jusqu’à 600 µW pour une vitesse de rotation de 300 tr/mn.
La transmission d’énergie sans fil
Historiquement, l’enjeu de la transmission d’énergie sans fil est d’alimenter, en énergie électrique, des systèmes sans avoir recours à un support matériel par le biais d’une onde électromagnétique. Le Transfert d’Energie Sans Fil (TESF) peut s’effectuer selon deux principes:
➤ Le couplage magnétique inductif fonctionne sur des distances très faibles (en champ proche), typiquement de l’ordre de quelques centimètres, mais se caractérise par un très bon rendement. On peut mentionner comme application des systèmes de recharge de batterie par induction, la recharge des téléphones mobiles, comme ceux proposés par la société PowerKiss Company [9]. Ils proposent des anneaux récepteurs qui se connectent directement aux téléphones portables et des anneaux émetteurs intégrés dans des tables. Le téléphone se charge dès lors que le récepteur est placé sur l’émetteur .
➤ Transmissions par faisceau microonde, dans la zone dite de champ lointain où la distance peut varier de quelques centimètres à plusieurs milliers de kilomètres.
Quelques applications de la TESF :
● Domaine spatial [10] notamment la transmission d’énergie entre satellite et terre;
● La recharge de capteurs et de dispositifs à très faible consommation [11] ;
● La robotique [12].
Historique de la TESF
W.C. Brown [13] a élaboré un document descriptif sur l’histoire de la transmission d’énergie sans fil et ses progrès au fil du temps. Il y décrit en détail les avancées marquantes des travaux de la TESF et les problèmes auxquels elle fut confrontée au cours de son long chemin. Les références du manuscrit remontent a plus de 100 ans à l’époque de Hertz qui lui-même avait mis en évidence la théorie des champs électromagnétiques de Maxwell et leur propagation dans l’atmosphère. Son travail a été approfondi par les idées de Nicolas Tesla, qui décrit une méthode pour récupérer les ondes électromagnétiques qui se propagent en lignes droites dans l’espace, en les dirigeants sur un récepteur. Il fit construire une tour de transmission à Long Island (New York), mais le travail de Tesla a été entravé par des questions de financement et l’exigence de très grandes surfaces pour mener ses expériences.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1: Introduction à la récupération d’énergie électromagnétique et les rectennas
1.1 Introduction
1.2 Différentes sources d’énergie récupérables
1.2.1 L’énergie photovoltaïque
1.2.2 L’énergie thermique
1.2.3 L’énergie mécanique
1.2.4 L’énergie éolienne
1.2.5 L’énergie radiofréquence
1.3 La transmission d’énergie sans fil
1.3.1 Historique de la TESF
1.3.2 Structure globale d’un système TESF
1.4 La conversion DC-RF
1.5 Rappel sur la propagation des ondes électromagnétiques
1.5.1 Variation de l’atténuation dans l’espace libre
1.5.2 Variation de l’atténuation en milieu urbain
1.6 La rectenna
1.6.1 Structure globale d’une rectenna
1.6.2 Les antennes pour rectennas
1.6.3 Les antennes dipôles et boucles magnétiques
1.6.4 Le circuit de conversion RF-DC
1.6.4.1 La diode Schottky
1.6.4.2 Choix et référence de la diode commerciale
1.6.4.3 Le filtre HF et DC
1.6.4.4 La charge
1.6.4.5 Configuration des redresseurs
1.7 Rectennas en technologie filaire ou boucle imprimée
1.7.1 Rectenna boucle circulaire en technologie coplanaire CPS
1.7.2 Rectenna bi-bande à 915 MHz et 2.45 GHz en technologie CPS
1.7.3 Rectenna compacte travaillant à la fréquence 5.8 GHz
1.7.4 Rectenna Bi-bande pour la récupération et conversion d’énergie électromagnétique à 2.45 et 5.8 GHz
1.7.5 Rectenna compacte 2.45 GHz en technologie CPS
1.7.6 Rectenna cadre résonnant à 5.8 GHz en technologie coplanaire CPS
1.8 Conclusion
1.9 Références du chapitre 1
Chapitre 2: Substrats et techniques pour les rectennas transparentes
2.1 Introduction
2.2 Puissance RF disponible dans l’ambiant
2.2.1 Etude ANFR
2.2.2 Limitation d’exposition aux champs électromagnétiques
2.3 Evaluation du niveau de puissance RF captée pour différentes sources ambiantes
2.4 Mesure du champ électromagnétique à l’Université Gustave Eiffel
2.5 Substrats transparents
2.5.1 Substrat verre
2.5.2 Substrat plexiglas
2.5.3 Extraction de la permittivité d’un matériau par la méthode des deux lignes microruban
2.5.3.1 Description de la méthode
2.5.3.2 Résultats et comparaisons
2.6 Conducteurs transparents
2.6.1 Utilisation d’un conducteur maillé
2.7 Quelques exemples d’antennes transparentes
2.8 Conclusion
2.9 Références du chapitre 2
Chapitre 3: Conceptions et réalisations de rectennas sur substrat plexiglas
3.1 Introduction
3.2 Optimisation d’une rectenna sur substrat transparent : antennes dipôles et circuit de rectification à 2.45 GHz
3.2.1 Description de l’antenne
3.2.2 Couplage entre éléments
3.2.3 Impédance de l’antenne
3.2.4 Diagramme de rayonnement et gain
3.3 Circuit de conversion
3.3.1 Optimisation du circuit de redressement en technologie CPS
3.3.2 Validation de la simulation du circuit de conversion en technologie CPS
3.3.3 Influence de la longueur L2 sur le rendement RF/DC
3.4 Associations de rectennas à 2.45 GHz
3.4.1 Association parallèle de 2 rectennas
3.4.2 Association série de 2 rectennas
3.4.3 Technique de réalisation des rectennas sur substrats Plexiglas
3.4.4 Banc de mesure
3.5 Résultats de mesure
3.5.1 Association parallèle de deux rectennas
3.5.2 Association série de deux rectennas
3.5.3 Comparaison entre série et parallèle
3.5.4 Réseaux de rectenna à 6 éléments en série
3.6 Rectenna sur plexiglas à 945 MHz
3.6.1 Antenne de captation type boucle circulaire
3.6.2 Impédance de l’antenne
3.6.3 Caractéristiques de rayonnement
3.7 Circuit de redressement RF-DC à 945 MHz
3.7.1 Influence de la longueur de ligne L2
3.7.2 Adaptation d’impédance
3.8 Synthèse de la rectenna
3.8.1 Validation expérimentale
3.8.1.1 Rendement de conversion et tension DC en fonction de la charge
3.8.1.2 Rendement de conversion en fonction de la fréquence
3.8.1.3 Rendement de conversion et tension DC en fonction de la puissance RF
3.9 Rectennas pour les standards GSM-UMTS-WiFi-LTE
3.10 Conclusion
3.11 Références du chapitre 3
Chapitre 4 : Rectenna bi-bande optiquement transparente fonctionnant dans les bandes GSM 1850 MHz et ISM 2.45 GHz
4.1 Introduction
4.2 Rectenna optiquement transparente
4.3 Antenne de captation bi-bande GSM (1.85 – 2.45 GHz)
4.3.1 Description de l’antenne
4.3.2 Etude des courants de surface
4.3.3 Influence des gaps G1 et G2
4.3.4 Influence des longueurs La et Lp
4.3.5 Impédance d’entrée et coefficient de réflexion
4.3.6 Caractéristiques de rayonnement
4.4 Description du circuit de redressement bi-bande 1.85-2.45GHz
4.4.1 Conception du circuit de redressement bi-bande
4.4.2 Optimisation et dimensions des éléments
4.4.3 Résultats de simulation
4.4.4 Influence de la charge RL sur le rendement RF/DC
4.4.5 Influence de la puissance RF sur la tension RD et le rendement
4.5 Synthèse de la rectenna bi-bande
4.5.1 Réalisations
4.5.2 Banc de mesure
4.6 Résultats de mesures
4.6.1 Tension continue VDC en fonction de la fréquence à densité de puissance constante
4.6.2 Tension continue VDC en fonction de la fréquence à puissance fournie par l’antenne constante
4.7 Conclusion
4.8 Références du chapitre 4
Conclusion générale
