RÉCUPÉRATION DE L’ÉNERGIE

RÉCUPÉRATION DE L’ÉNERGIE

Application des RCSFs

Les réseaux de capteurs peuvent être constitués de différents types de capteurs suivant 1 ‘application. De façon générale, les principales applications des réseaux de capteurs sans fil peuvent être de types militaires, environnementaux, sanitaires ou domestiques.

• Le domaine militaire est le premier à s’ être intéressé aux RCFSs, ceci dans le but d’étudier les déplacements des troupes ennemies ou bien d’analyser un champ de bataille avant de s’y engager. L’université Vanderbilt (Nashville, Tennesee) a, par exemple, développée le PinPtr [9] qui est un réseau de capteurs acoustiques qui, disséminés dans un environnement urbain, permettent de localiser les tireurs d’élite à partir de l’onde sonore liée au tir de l’arme.

• Dans le domaine environnemental, les RCSFs sont utilisés pour détecter et prévenir les catastrophes naturelles telles que les incendies, pour une compréhension de l’évolution des habitats naturels et des mouvements de populations animales dans un but de connaissance et de protection des espèces [10], ou encore dans les milieux agricoles afin d’optimiser la gestion des sols [11].

• Dans le domaine biomédical, l’implantation de capteurs autonomes au sein du corps humain ou de l’habitat permettrait de récolter et de stocker en continu des données physiologiques et de les transmettre à un centre médical compétent, permettant par exemple une surveillance à distance d’un patient en convalescence ou encore facilitant le diagnostic précoce et la prévention de maladies [12].

• Enfin, les RCSFs ont également une utilité dans la surveillance des environnements difficiles ou de structure tels que les ponts, véhicules ou environnements industriels dans le but de détecter les altérations et de prévenir les catastrophes. Dans le cadre de ce travail, on s’intéresse aux RCSFs utilisés particulièrement dans les trains. Ces capteurs sont, dans la plupart des cas, utilisés pour la signalisation, la commande et la communication, cela permettant de s’assurer que les trains, de façon efficace et sûre, empruntent les bonnes voies, respectent les limites de vitesse et sont adaptés à la géométrie des voies.

Budget énergétique d’un noeud capteur

Ce travail propose des solutions au problème de l’alimentation des RCSFs. Il est nécessaire de s ‘intéresser à la consommation énergétique d’un noeud capteur et cette consommation énergétique dépend de plusieurs paramètres. Au sein de l’unité processeur par exemple, elle dépendra du microcontrôleur choisi, des performances désirées, de son mode de fonctionnement (veille, inoccupé ou actif) et du ratio de temps dans chaque mode. Plusieurs travaux de recherche ont déjà proposé des chiffres pour la consommation énergétique moyenne d’un noeud capteur. Par exemple, dans [13], on situe la consommation moyenne d’énergie d’un noeud capteur pour tout un cycle de fonctionnement aux alentours de 94 flf. Un autre travail plus récent [2] situe cette consommation énergétique aux alentours 17 flf. Cette différence entre les valeurs montre que la consommation énergétique du noeud dépend des hypothèses fixées et du capteur utilisé.

À partir de ces valeurs d’énergie totale consommée pour un cycle de fonctionnement, on peut connaître la puissance moyenne nécessaire en multipliant la valeur de l’énergie par la fréquence. Dans beaucoup d’applications où les phénomènes physiques mesurés varient lentement, comme la variation de température du fait de l’inertie thermique, il n’est pas nécessaire de faire une mesure toute les secondes mais plutôt toutes les minutes. Ainsi, dans le cas d’un cycle de fonctionnement à la minute, l’ ordre de grandeurs de la puissance à récupérer sera autour de 1,57 f1W pour les travaux dans [13] et de 280 nW avec les chiffres donnés dans [2]. À l’issu de ce travail, on doit concevoir et réaliser un micro générateur capable de fournir au minimum 2 f1W de puissance moyenne. Connaissant le minimum de puissance que doit pouvoir générer notre générateur, on doit s’intéresser aux différentes sources d’énergie ambiante qui existent et à la façon de récupérer leur énergie.

Modèle général de récupération d’énergie vibratoire

Cette section décrit le modèle général d’un récupérateur d’énergie vibratoire. Il s’agit d’un système qui montre les différentes étapes de la conversion des vibrations mécaniques en énergie électrique. L’objectif de cette étude est de rappeler les critères qui permettent de récupérer le maximum de puissance. Le modèle de conversion des vibrations mécaniques en énergie électrique est proposé par William et Yates [24]. C’est un modèle générique à une dimension qui est constitué d’une masse m attachée à un support vibrant via un ressort de raideur K et via deux amortisseurs de et dm (figure 2.4). Le modèle de William et Yates permet de donner une estimation de l’énergie théoriquement récupérable à une fréquence et une accélération données. Comme on peut le voir sur la figure, le support représenté par un cadre est soumis aux vibrations y(t) du milieu ambiant, ce déplacement du support induit un déplacement relatif z(t) de la masse sismique m par rapport au support vibrant via la déformation du ressort de raideur K.

L’amplitude du déplacement relatif nous renseigne sur la quantité d’énergie mécanique transmise de la source de vibration vers le système frottements visqueux dans la structure mécanique représentée dans le modèle par un amortissement visqueux dm, tandis qu’une autre partie est convertie en énergie électrique, modélisée par l’amortissement visqueux de. La conversion de l’énergie vibratoire en énergie mécanique se fait alors en deux étapes; une première qui convertit la vibration en un déplacement relatif via l’utilisation d’une masse sismique et une seconde qui convertit le déplacement relatif en énergie électrique. Williams et Yates démontrent dans [24] que la puissance récupérée dépend de l’amortissement électrique, de l’amortissement mécanique, de l’amplitude et de la fréquence des vibrations ambiantes. Cette puissance extraite est maximale lorsque la fréquence des vibrations w est égale à la fréquence propre du convertisseur w0 (Annexe A). La figure 2.5 ci-dessous représente un exemple de réponse fréquentielle de la puissance théoriquement récupérable par le générateur décrit par le modèle général et cela pour plusieurs valeurs d’amortissement électrique. Les valeurs utilisées ici sont: m = 0,5, w = 3770 radjs et A= 0,4 mjs2.

L’énergie radiofréquence

La récupération de l’énergie radiofréquence est une technologie de récupération qui a beaucoup évoluée ces dernières années. Son évolution est en effet liée à l’extension des systèmes de télécommunications qui génère de plus en plus d’ondes électromagnétiques dans notre environnement à des fréquences et puissances très variées. Des chercheurs ont proposé de faire des études sur les possibilités qu’on a d’utiliser l’énergie contenue dans les ondes électromagnétiques pour alimenter les applications électroniques. L’idée ici est d’utiliser une ou plusieurs antennes pour récupérer l’énergie des ondes électromagnétiques disponibles dans le milieu urbain, suivies par un convertisseur des signaux radiofréquences (RF) en signal continu (DC). Précisons que l’énergie radioélectrique est une forme d’énergie électromagnétique qui fait partie du spectre des fréquences électromagnétiques, lequel comprend les micro-ondes, la lumière visible, les rayons X et bien d’autres types de rayonnements. L’énergie radioélectrique, parfois appelée « émissions RF », « ondes RF » ou « champs RF », est générée lorsqu’un courant, provenant par exemple d’un émetteur, est appliqué à une antenne. L’emploi le plus important de l’énergie radioélectrique est probablement son utilisation pour fournir des services de radiocommunications au public, à l’industrie et au gouvernement. Ainsi à cause de ces multiples applications (nous pouvons citer FM, TV, GSM, WIFI, WIMAX … ), de faibles ou grandes puissances, presque permanentes, ont envahi notre environnement.

La disponibilité de cette énergie est donc devenue intéressante pour certaines applications de faibles consommations. C’est donc dans cette optique que depuis quelques atmées, certaines recherches s’intéressent à la possibilité de récupérer via une antenne cette énergie dans le but de remplacer, totalement ou en partie les batteries utilisées dans certains micro systèmes. L’alimentation des dispositifs électroniques via des ondes électromagnétiques peut se fuire en transférant l’énergie émise par une source rayonnante au système électronique, dans ce cas il s’agit de la télé-alimentation (TESF8 Historiquement, la première personne à avoir pensé au transport d’énergie sans fil est Nikola Tesla en 1903 [26]. L’idée était d’acheminer l’électricité vers la ville de New York sans utiliser de câbles. Pour cela, Tesla a utilisé une antenne bobine de 0,9 m de diamètre placée sur une tour de 60 m de hauteur. Le signal qui alimentait l’ antenne avait une puissance de 300 kW à la fréquence de 150kHz. L’antenne de réception (figure 2. 7) était identique et placée à 58 m de hauteur. Le rendement énergétique s’est révélé être très faible et ce premier essai ne fut pas encourageant. .

Table des matières

TABLE DES MATIÈRES
REMERCIEMENT
TABLE DES MATIÈRES
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
GLOSSAIRE
RÉSUME
ABSTRACT
Chapitre I INTRODUCTION
1.1. Définition d’un réseau de capteurs sans fil
1.2. Problématique et contexte de l ‘étude
1.3. Contribution et objectifs de ce travai1
1.4. Plan du mémoire
Chapitre II  RÉCUPÉRATION DE L’ÉNERGIE ET PROJET D’ÉTUDE
2.1. Intro duc ti on
2.2. Généralités sur les réseaux de capteurs sans fils
2.2.1. Définitions
2.2.2. Architecture d’un noeud capteur
2.2.3. Application des RCSFs
2.2.4. Budget énergétique d’un noeud capteur
2.3. Différentes sources d’énergie primaires
2.3.1. L’énergie thermoélectronique
2.3. 2. L’énergie photovoltaïque
2.3.3. L’énergie des vibrations mécaniques
2.3.3.1. Modèle général de récupération d’énergie vibratoire
2.3.3 .2. Principaux mécanismes de transduction
Micro générateurs électrostatiques
Micro générateurs électromagnétiques
Micro générateurs piézoélectriques
2.3.3.3. Conclusion partielle
2.3.4. L’énergie radiofréquence
2.4. Conclusion
Chapitre III CONCEPTION ET RÉALISATION DU MICRO GÉNÉRATEUR PIÉZOÉLECTRIQUE
3.1. Introduction
3.2. Vibrations détectées dans l’environnement d’un train
3.2.1. Équipement de mesures
3.2.2. Vibrations détectées
3.3. Le transducteur piézoélectrique
3.3.1. Théorie de la piézoélectricité
3.3.2. Description du transducteur piézoélectrique
3.3.2.1. Matériau du substrat.
3.3.2.2. Matériau piézoélectrique
3.3.3. Analyse statique de la structure de type cantilever
3.3.4. Conception et fabrication du transducteur piézoélectrique
3.3.5. Test et performances du micro générateur fabriqué
3.3.5.1. Modèle électrique équivalent du transducteur piézoélectrique 00
3.3.5.2. Puissance de sortie du transducteur piézoélectrique
3.3.6. Conclusion partielle
3.4. Gestion de l’énergie récupérée
3.4.1. Brefétatdel’art
3.4.2. Mise en forme du signal fourni par le transducteur
3.5. Conclusion
Chapitre IV  CONCEPTION ET RÉALISATION DES CIRCUITS DE RÉCUPÉRATION DE L’ÉNERGIE RADIOFRÉQUENCE
4.1. Introduction
4.2. Quantification de la puissance rayonnée disponible dans le milieu environnant
4.3. Conception et réalisation des convertisseurs RF/DC pour la récupération de l’énergie RF à 2,45 GHz et 880 Wiz
4.3.2. Choix de la diode de redressement
4.3.3. Comparaison des performances des différentes topologies de redresseur
4.3.3.1. Différentes topologies de redresseur
4.3.3.2. Choix des topologies pour la conception des redresseurs
4.3.4. Réalisation des différents circuits redresseurs
4.3.4.1. Description de la méthodologie
4.3.4.2. Mise en oeuvre des bancs de mesure
4.3.4.3. Résultats expérimentaux
4.4. Conclusion
Chapitre V CONCLUSION

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