Etude d’un récupérateur d’énergie résonant au format pile AA 

Conclusion sur l’approche photovoltaïque

La dépendance aux conditions d’éclairement lors de l’utilisation de ces systèmes est un inconvénient de l’option photovoltaïque. En dépit des progrès sur le rendement de conversion, les performances sont limitées par la météo, en utilisation extérieure ; quant à l’utilisation en intérieur, celle-ci est compromise d’une part par la faible intensité lumineuse pouvant être de 10 à 100 fois plus faible qu’à l’extérieur, et d’autre part, par la densité spectrale qui n’est pas toujours optimale relativement à la gamme d’absorption des semi-conducteurs utilisés. Toutefois, l’abondance de la source solaire et l’amélioration continue des rendements de conversion contribuent à l’attrait du photovoltaïque parmi les systèmes de récupération d’énergie ambiante. Pour ce qui est de l’implémentation « textile » en particulier, les verrous principaux sont les rendements de conversion encore limités (inférieurs à 7-8%), et les coûts des dispositifs. Ces aspects devront être améliorés avant d’envisager l’industrialisation de ces concepts. Par ailleurs, il est utile de souligner que quelques dizaines de cm² de films photovoltaïques flexibles en Si amorphe peuvent suffire dans de bonnes conditions d’illumination pour produire les 20mW estimés nécessaires à l’alimentation du vêtement connecté.

Thermoélectricité

Ressources et principe d’exploitation

Le corps humain est une source naturelle et constante de chaleur : sa température est globalement régulée à ? ? = 37°C. Lorsque l’air ambiant est plus froid, par exemple à ? ? = 20°C, la différence de température induit un flux de chaleur, d’une puissance surfacique que l’on peut estimer par la formule :

Conclusion sur l’énergie thermoélectrique

A l’instar de l’option photovoltaïque, la récupération thermoélectrique pour des applications portées par un utilisateur est très dépendante des conditions environnementales, tant dans ses performances (faibles à « hautes » températures ambiantes, et au mieux de quelques dizaines de µW/cm² à 20°C) que dans son confort d’utilisation. Sur ce dernier point, les études menées jusqu’à présent semblent indiquer que cette option ne peut être viable qu’avec des contextes de températures modérées (donc notamment en intérieur), ce qui restreint son champ d’application.
Le coût assez élevé des matériaux thermoélectriques ajouté aux éléments précédents amène à la conclusion que ce mode de transduction semble difficilement envisageable comme solution d’alimentation du vêtement connecté au vu des besoins et contraintes de celui-ci.

Exploitation des ondes radio

Les ondes RF générées par les réseaux de télécommunications sont omniprésentes, particulièrement en environnement urbain. Elles possèdent une énergie propre, qui est faible en comparaison du rayonnement lumineux : dans un cadre de vie ordinaire, la puissance reçue est de l’ordre de 10 à 100nW/cm² [41]. Cette énergie peut être exploitée et convertie par des récupérateurs RF utilisant des antennes [42,43], produisant jusqu’à quelques dizaines de microwatts.
Au vu des besoins du vêtement connecté identifiés précédemment, on conclut facilement que l’approche RF est moins pertinente pour cette application. Elle peut être en revanche utilisée avec succès pour des systèmes ultra basse consommation (e.g. tags RFID) ou proches d’une source RF intense.

Objectif de la thèse : l’exploitation de l’énergie mécanique humaine

Notre étude cible l’exploitation de l’énergie mécanique produite par la personne comme source d’alimentation du « vêtement connecté ». Cette approche est particulièrement adaptée pour des cas d’usage ou le mouvement de l’utilisateur est important : applications sportives, militaires et autres professions « physiques » ou le monitoring de la personne peut être profitable (FIGURE 1 11).
Le milieu du sport professionnel utilise déjà des maillots instrumentés, intégrant par exemple des GPS et autres capteurs afin de mesurer et améliorer les performances des sportifs. Contrairement aux énergies ambiantes, l’intensité de l’énergie convertible ne dépend que de l’activité physique de la personne, et non de paramètres ou conditions externes. Cette option est par ailleurs moins contraignante à l’usage : là où les convertisseurs photovoltaïques ou thermoélectriques ne doivent pas être recouverts par un sur-vêtement (pull, veste) et/ou être en contact direct avec la peau pour fonctionner efficacement, les récupérateurs d’énergie mécaniques offrent davantage de liberté en termes d’implantation dans le vêtement.

La récupération de l’énergie mécanique sur la personne

L’idée d’exploiter l’énergie mécanique de la personne pour alimenter des objets connectés de son environnement a été proposée assez tôt dans le développement de l’internet des objets. Les premières publications sur le sujet datent des années 90. On peut donner l’exemple du premier concept de « chaussure dynamoélectrique », breveté en 1992 [44]. En 1996, une étude menée par Thad Starner, alors doctorant sur le sujet du « wearable computing » au MIT Media Lab, propose un premier calcul d’ordres de grandeur de la puissance mécanique développée par la personne lors de différents mouvements [45]. Une seconde étude par Niu et al. parue en 2004 [46] revoit à la baisse ces estimations. Ces deux études s’accordent cependant sur une puissance mécanique de l’ordre de 1-10W pour la majorité des mouvements (FIGURE 2-1). En comparaison des besoins  des vêtements intelligents (20 à 100 mW suivant le régime de fonctionnement) déterminés dans le premier chapitre, cette source d’énergie semble très largement suffisante. Ce constat explique le grand nombre de travaux menés sur cette approche.

Les récupérateurs d’énergie existants

Il n’existe pas pour le moment de concept de récupérateur inductif « textile », à proprement parler.
Par essence, les systèmes électromagnétiques sont composés de pièces rigides et volumiques, et ne sont pas facilement adaptables à des contraintes de flexibilité mécanique ou de planéité. Les solutions existantes prennent donc majoritairement la forme de modules portés par l’utilisateur pour exploiter l’énergie mécanique de son mouvement. C’est d’ailleurs une ambiguïté du mot anglais « wearable », très utilisé dans la littérature de la thématique, et qui s’applique tant aux systèmes réellement intégrés à des vêtements qu’à ceux de dimensions suffisamment réduites pour être simplement portés par la personne.

Récupérateurs électromagnétiques inertiels

Les générateurs inertiels sont sans doute le type de récupérateur d’énergie le plus répandu dans la littérature. Les solutions inductives sont largement étudiées pour convertir les vibrations mécaniques, à des échelles différentes, des structures MEMS adaptées aux vibrations supérieures à 50Hz [48,49] jusqu’à des systèmes macroscopiques permettant de cibler le spectre basse fréquence 0 – 20Hz typique des stimulations humaines. Dans cette section, nous présentons surtout des systèmes conçus pour la personne. En effet, la littérature des systèmes basse-fréquence est par ailleurs très fournie mais pas nécessairement pertinente pour l’application humaine, comme cela sera évoqué au chapitre 3.
Parmi les dispositifs inertiels pour la personne, les plus étudiés sont les systèmes unidirectionnels résonants, composés d’une masse mobile se déplaçant dans un guide rectiligne (FIGURE 2-3), et d’un ou plusieurs organes de rappel : ressorts mécaniques [50,51], ou aimants répulsifs [52–59]. Un grand avantage de ces systèmes est la possibilité de les modéliser plus ou moins simplement, ce qui permet leur optimisation. Pour des volumes de générateur de quelques cm 3 , ils produisent assez facilement des puissances électriques variant de 100µW à 10mW à partir d’excitations humaines. Le dimensionnement de ces solutions est déterminé par les contraintes d’ergonomie de l’utilisation ciblée : intégré dans un objet, par exemple un sac à dos (FIGURE 2-3a) fixé à un vêtement ou à une chaussure (FIGURE 2-3c). Lorsque cela est nécessaire, il est possible de limiter l’épaisseur des dispositifs, en utilisant des bobines planes et/ou flexibles [52,55].
Les structures résonantes présentent généralement une fréquence propre bien déterminée, ce qui peut être problématique avec une source mécanique comme la stimulation humaine, assez variable en fréquence. Il existe plusieurs approches pour étendre le domaine de réponse fréquentiel.
Une première possibilité consiste à utiliser plusieurs « organes de résonance ». Ainsi, les travaux présentés dans [60] proposent un récupérateur résonant bistable, formé de deux aimants répulsifs aux extrémités, et d’un troisième « ressort » magnétique monté sur un ressort mécanique placé au milieu de la course du mobile. Ce dernier ressort permet d’ajouter deux fréquences propres au système (25 et 35Hz), plus élevées que sa fréquence fondamentale (19Hz), ce qui aboutit à une bonne réponse fréquentielle sur un intervalle important. Une autre option est mise en place par Halim et al. [51] : plutôt que d’adapter la fréquence propre du transducteur à celle de la stimulation, ils utilisent une masse libre venant impacter un système masse-ressort, qui vibre alors à sa fréquence naturelle (FIGURE 2-3b). La basse fréquence de la sollicitation d’entrée est ainsi convertie en une plus haute fréquence vibratoire dans le système.

Récupérateurs électromagnétiques « directs »

L’exploitation de la contrainte sous les talons dans les chaussures a été étudiée par de nombreux auteurs. L’intérêt principal, par rapport à d’autres systèmes actionnés, est que la personne n’a pas à fournir d’énergie « supplémentaire ». Nous pouvons citer par exemple les travaux de [57,64], ou encore la technologie de la start-up SolePower [65] qui transforme la compression verticale en rotation (FIGURE 2-5a). Ces récupérateurs produisent des puissances comprises entre 1 mW et 100 mW. Cependant, le confort de ces solutions volumiques et rigides reste questionnable.
Concernant la récupération d’énergie dans les vêtements, il est possible d’exploiter la tension périodique des fibres consécutive aux mouvements de l’utilisateur. Par exemple, une équipe s’est intéressée à la possibilité d’exploiter la respiration de la personne [66,67]. Cette approche est très intéressante, puisque la stimulation est permanente, bien que de faible intensité : la puissance mécanique qu’il est possible de convertir est estimée dans ces études à 30mW. Le générateur proposé est composé d’une « ceinture » placée autour de la poitrine, liée à un système alternateur qui est actionné à chaque inspiration de la personne (FIGURE 2-5b), et produit jusqu’à 100µW lors de la marche rapide.
Une tension mécanique périodique peut aussi être exploitée au travers de structures vibrantes. Dans [68], Roundy et Takahashi présentent une structure résonante plane (3x3x0.3 cm 3 ), dont la partie mobile est déplacée latéralement hors de sa position d’équilibre par un léger effort extérieur (12N), puis relâchée soudainement, entraînant la vibration libre à 260Hz. L’énergie produite sur un tel cycle est de 1.1 mJ sur 40 ms. Bien que cette étude ne s’inscrive pas dans la problématique du « wearable », le principe du récupérateur « armé » par tension mécanique puis laissé libre de mouvement (vibration, rotation…), est une approche qui peut être pertinente dans le contexte textile pour exploiter des stimulations mécaniques lentes et amples. La difficulté résiderait dans la façon de « collecter » la tension mécanique dans le textile pour l’apporter au transducteur de façon confortable pour l’utilisateur.
Une catégorie marginale de récupérateurs d’énergie sur la personne est celle des systèmes de type « exosquelette ». Un exemple emblématique a été développé par Li et al. [69] : un système d’alternateur porté au niveau du genou permet de générer quelques watts lors de la marche (FIGURE 2-5c). Ce système est remarquable par la possibilité de n’activer la conversion électromécanique que lors des phases de « freinage », c’est-à-dire lorsque l’articulation n’est pas motrice dans le mouvement. Cela permet de réduire sensiblement l’énergie mécanique supplémentaire demandée à l’utilisateur pour faire fonctionner le système.

Sur la triboélectricité

Phénomène

Mentionnée pour la première fois par Thalès de Milet, l’un des Sages de la Grèce Antique qui l’observa entre l’ambre et la lodestone (pierre magnétique), la triboélectricité est un phénomène par lequel certains matériaux acquièrent une charge électrique statique de surface au contact de matériaux de natures différentes.
De nombreux facteurs peuvent jouer un rôle dans cet effet. Mécaniquement, il est généralement amplifié par la friction des surfaces (dans le cas où l’une au moins est isolante électrique), les contacts locaux se multipliant. Les conditions ambiantes ont aussi une influence. Par exemple, il a été constaté qu’une exposition aux rayons ultraviolets pouvait avoir un effet non négligeable [78].
La présence d’eau entre les deux matériaux peut diminuer l’importance des charges de surface induites, car elle permet la conduction électrique entre les deux surfaces et donc leur décharge, mais aussi les recombinaisons électroniques au sein d’une même surface isolante : des électrons piégés dans des zones (états) de hautes énergies peuvent alors se déplacer vers des états de plus basses énergies disponibles ailleurs sur la surface [79]. D’un autre côté, l’humidité relative peut également entraîner l’apparition d’ions participant à l’échange triboélectrique [80].
La nature des charges échangées lors du contact est une question complexe, et dépend des matériaux en présence. Par exemple, Diaz et Felix-Navarro [81] ont étudié la corrélation entre les charges de surface induites d’une part, et les potentiels de ionisations ou les équilibres acidobasiques. Leurs résultats suggèrent que :
– dans le cas du contact entre deux métaux, les charges transitant sont en majorité les électrons, du fait de la différence de travail de sortie de ces métaux ;
– dans le cas de deux polymères, il s’agirait plutôt d’un échange ionique.
Pour des schémas de contact hybrides (par exemple métal/polymère), les charges sont donc probablement partagées entre ces deux types de porteurs, d’autant que les conditions ambiantes (humidité, pH…) peuvent favoriser l’un ou l’autre. Il a de plus été montré [82] que la charge induite entre un métal et un polymère est souvent quasi-linéaire par rapport au niveau de Fermi du métal utilisé, ce qui indiquerait la possibilité d’associer aux polymères (hormis quelques exceptions) un « travail de sortie effectif », grandeur locale dépendant des impuretés, de l’état de surface et des défauts dans la structure cristalline du polymère, afin d’expliquer le transfert d’électrons lors du contact entre les deux matériaux.
L’effet triboélectrique découle donc d’une multitude de paramètres liés à la nature des matériaux utilisés, à l’état des surfaces ou aux conditions d’environnement, ce qui le rend difficile à modéliser et à contrôler. Il est cependant présent dans de nombreuses situations ordinaires.
Généralement considéré comme un phénomène parasite et néfaste dans plusieurs industries (aéronautique, électronique, chimie), il peut aussi représenter une source de polarisation exploitable par des structures électrostatiques adaptées.

Matériaux et séries triboélectriques

Il n’existe pas de liste exhaustive des matériaux triboélectriques. Traditionnellement, un certain nombre sont répertoriés dans des échelles empiriques appelées « séries triboélectriques » (FIGURE 2-6), qui classifient les matériaux suivant leur propension à se charger plus ou moins positivement ou négativement [81,83]. Cette approche semi-quantitative est commode pour pouvoir choisir les matières à employer, même si son caractère macroscopique ne suffit pas à caractériser proprement le phénomène triboélectrique (il a par exemple été observé des charges induites entre deux surfaces planes de même nature, ce qui devrait être impossible du point de vue des séries triboélectriques mais s’explique par la non-uniformité microscopique des surfaces [84]). Précisons également que ces échelles sont relatives, et généralement constituées vis-à-vis d’un matériau de référence. Ainsi, un matériau plutôt « positif » (par exemple la laine) peut se charger négativement au contact d’un matériau au caractère « tribopositif » plus important (la peau).

L’exploitation de l’effet triboélectrique

Bien que l’effet triboélectrique soit connu depuis longtemps, du moins par son expérience, l’idée de l’employer à des fins de génération de charges électriques n’est survenue que tardivement. Les générateurs triboélectriques « traditionnels », représentés par les travaux emblématiques de Wimshurst (1880) et Van de Graaf (1929), exploitent le phénomène pour accumuler des charges créées par tribo-électrification sur une partie tournante (roue ou courroie) et induire une tension entre les deux électrodes (jusqu’au point critique ou intervient la décharge). Ces tensions pouvant être très élevées suivant les dimensions des générateurs (plusieurs millions de volts), ceux-ci ont été exploités pendant quelques temps à partir du milieu du XXe siècle pour l’accélération de particules.
Les premiers travaux proposant le concept de « nanogénérateurs triboélectriques » ont eu lieu dans les années 2010, et s’inscrivent comme une alternative à la piézoélectricité pour l’exploitation des sources d’énergie mécanique [85]. L’appellation « nano » est relative aux dimensions des structures des surfaces de friction des dispositifs, par exemple composées de nanofils de quelques dizaines de nanomètres de diamètre. Il a en effet été observé [86] que ce type de structures pouvait augmenter la quantité de charges triboélectriques induites par le contact, du fait de l’agrandissement de la surface spécifique des matériaux (c’est-à-dire la surface développée, tridimensionnelle, et non sa projection planaire telle que perçue à l’échelle macroscopique). L’atout fondamental des nanogénérateurs est leur très faible épaisseur (souvent inférieure au millimètre), ce qui les rend avantageux du point de vue de l’intégrabilité, en particulier pour les applications textiles ciblées dans notre étude.

Table des matières
Chapitre 1 – Introduction à l’objet de l’étude, l’autonomie des vêtements connectés
I La récupération d’énergie : enjeux et avantages
II Les vêtements connectés
1 Généralités
2 Fibres conductrices
3 Stockage
4 Fonctions électroniques intégrées
III La récupération d’énergie autour de la personne
1 Modules photovoltaïques
2 Thermoélectricité
3 Exploitation des ondes radio
IV Objectif de la thèse : l’exploitation de l’énergie mécanique humaine
Chapitre 2 – La récupération de l’énergie mécanique sur la personne
I Récupérateurs à induction électromagnétique
1 Principe physique
2 Les récupérateurs d’énergie existants
3 Récapitulatif des performances des récupérateurs inductifs
II Structures électrostatiques et triboélectriques
1 Sur la triboélectricité
2 L’exploitation de l’effet triboélectrique
3 Etat de l’art : récupérateurs d’énergie triboélectriques sur la personne
4 Conclusion sur la transduction triboélectrique, et sa pertinence pour les applications textiles
III Convertisseurs piézoélectriques
1 Piézoélectricité : phénomène et matériaux
2 Générateurs piézoélectriques sur la personne
3 Conclusion sur l’option piézoélectrique dans les textiles
Conclusion de l’état de l’art
Chapitre 3 – Etude d’un récupérateur d’énergie résonant au format pile AA 
I Etude préliminaire : le modèle du résonateur linéaire, une référence utile
1 Système linéaire – Limitation du mouvement de la masse mobile
2 Application à une stimulation humaine : la course à pied
II Développement du récupérateur non-linéaire
1 Structure du système
2 « Ressorts magnétiques »
3 Couplage électromécanique
4 Optimisation du générateur
III Etude d’un prototype
1 Réalisation
2 Caractérisation harmonique
3 Performances sur une stimulation de type « course à pied »
4 Position dans l’état de l’art
IV Effets d’échelle
1 Puissance électrique
2 Tensions
3 Densité de puissance
4 Conclusion
Conclusion du chapitre 3 : Attraits et limites du récupérateur résonant non-linéaire
Chapitre 4 – Le générateur inertiel toroïdal 
I Le générateur inertiel toroïdal à bille magnétique
1 Structure
2 Evaluation théorique du potentiel d’un générateur rotationnel pour la stimulation humaine
3 Bille magnétique et couplage électromécanique
II Caractérisation d’un prototype
1 Réalisation du dispositif
2 Mesures des performances en situation de course à pied
3 Variantes structurelles
4 Applications
III Perspective sur le générateur toroïdal résonant
1 Structure du générateur toroïdal résonant
2 Modèle
3 Simulations – Course à pied
4 Conclusion sur le format résonant
Conclusion : Potentiel du générateur toroïdal
Chapitre 5 – Systèmes triboélectriques à polarisation contrôlée
I Préambule : Limites de l’exploitation directe des générateurs triboélectriques
1 Modélisation d’une capacité variable triboélectrique
2 Exploitation en charge continue
II Générateur à polarisation entretenue – « Doubleur de Bennet »
1 L’auto-polarisation à pompe de charges – Cas idéal
2 Un circuit passif d’auto-polarisation : le « doubleur de Bennet »
3 Système triboélectrique à polarisation contrôlée
4 Conclusion
III Etude expérimentale du concept
1 Prototype
2 Caractérisation de la capacité variable triboélectrique
3 Structure à polarisation contrôlée
Conclusion et perspectives 
Conclusion générale 
Bibliographie
Annexes 
3A – Modèle Simulink du générateur résonant non-linéaire
4A –Schéma Simulink du modèle de la masse ponctuelle en rotation
4B – Moments des forces d’inertie dans le générateur rotationnel en mouvement plan
5A – Modèle de capacité variable triboélectrique à une seule couche diélectrique
5B – Capacité variable triboélectrique : décharge aux extrema de la capacité
5C – Initialisation triboélectrique du doubleur de Bennet : exemple d’effet d’une tension seuil des
diodes trop importante

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