Systèmes multisources de récupération d’énergie dans l’environnement humain

Les ressources mécaniques

    Les ressources mécaniques peuvent provenir des mouvements du corps humain, naturels ou volontaires, mais également de vibrations ambiantes dues aux machines environnantes ou aux bruits acoustiques. Nous allons différencier ces deux types de ressources.
Les ressources du corps humain Les puissances dissipées par le corps humain sont liées aux puissances consommées par le corps pour réaliser une action mécanique donnée que multiplie le rendement de conversion métabolique. En effet, au repos ou durant des activités quelconques, le corps humain convertit de l’énergie, parfois exprimée en calories par heure. Starner, dans [Starner96], a répertorié la puissance calorifique consommée pour différentes activités comme dormir, être debout, jouer du piano, nager. . . A titre d’exemple, la puissance calorifique consommée est d’environ 160W lorsque l’on conduit une voiture, et de 580W lorsque l’on nage. Pour la production de travail mécanique, le rendement énergétique humain n’est pas unitaire, c’est-à-dire qu’il s’accompagne de pertes se traduisant par un dégagement de chaleur. Le rendement de conversion correspondant, évalué à 25% [Starner96], nous permet donc d’estimer la puissance récupérable. En reprenant les exemples précédents, pendant la conduite d’une voiture elle est de 40W, et de 150W pour la nage.
Les vibrations ambiantes Les vibrations mécaniques ambiantes sont de natures diverses : elles sont généralement dues aux machines tournantes, mais peuvent également être induites dans le sol et les murs par les véhicules ou la météo (vent, pluie…). Ces ressources dépendent de la fréquence de vibration et de l’accélération (elle-même proportionnelle au carré de la fréquence). Il est donc possible de les quantifier lorsque l’on connait toutes les caractéristiques des vibrations.

Principes généraux de la conversion électromécanique

    La conversion électromagnétique : Les générateurs électromagnétiques considérés pour la récupération d’énergie ambiante sont ceux à aimants permanents. En effet, [Cugat03] montre que la réduction d’échelle ne dégrade pas la puissance volumique des micro-générateurs à aimants permanents si la fréquence de mouvement relatif augmente inversement à la réduction de leurs dimensions. En fait, [Cugat03] démontre que suite à une réduction d’échelle homothétique, le champ magnétique créé par un aimant autour de lui n’est pas modifié. Par contre, la miniaturisation des générateurs à induction, synchrone à excitation bobinée et synchrone à réluctance, est fortement défavorable au niveau des puissances mises en jeu. La conversion électrostatique : Les générateurs électrostatiques sont constitués d’un condensateur, initialement chargé, dont les électrodes peuvent se mouvoir. Le mouvement des électrodes, généré par exemple par des vibrations ambiantes, a soit pour effet de diminuer, à tension constante, la capacité, dans ce cas des charges électriques sont générées, soit, à charge constante, d’augmenter la tension aux bornes de la capacité et donc l’énergie électrostatique (Figure 1.4). Les générateurs électrostatiques trouvent généralement leurs applications dans les très faibles puissances. En effet, la loi de Paschen montre qu’à l’échelle microscopique, le champ de claquage augmente lorsque la distance entre électrodes diminue. Notons également que ce principe est favorable à l’utilisation des technologies d’intégration dans les microsystèmes. La conversion piézoélectrique : La piézoélectricité se traduit par l’apparition d’une polarisation électrique à la surface de certains cristaux soumis à une déformation. Inversement, certains État de l’art des ressources et des systèmes de récupération d’énergie ambiante, notamment dans l’environnement humain cristaux soumis à une polarisation peuvent être déformés. Dans le cas de la conversion d’énergie mécanique en énergie électrique, nous nous intéressons à l’effet piézoélectrique direct. On distingue alors cinq modes de déformation fondamentaux d’un échantillon piézoélectrique : longitudinal (mode 33), transversal (mode 31), de cisaillement (mode 15), épaisseur et radial.

Modélisation électromécanique du système Autoquartz

     Dans cette partie, nous avons élaboré un modèle de productivité énergétique du système de génération micro-cinétique Autoquartz sous Matlab-Simulink. L’objectif est de déterminer les profils de production électrique correspondant en sortie du système (Figure 2.7) à partir de différents profils de mouvements 3D d’excitation du système Autoquartz (mouvements du poignet). Compte tenu des faibles puissances prélevées, la récupération d’énergie par ce système n’affecte pas l’excitation, cette dernière sera donc supposée imposée. Nous présenterons tout d’abord la modélisation du mouvement de la masselotte qui s’avère être un problème complexe de dynamique, puis un second paragraphe sera consacré à la modélisation de la chaîne de conversion du système Autoquartz constituée des roues à cliquets, des engrenages, du ressort, de la génératrice micro-cinétique et du redresseur actif

Contexte de la production thermoélectrique

     La thermogénération représente l’une des voies possibles permettant de récupérer de l’énergie dans l’environnement humain. La voie que nous explorons ici concerne la récupération à partir du corps. Elle consiste à placer une face d’un module thermoélectrique en contact avec la peau et l’autre en contact avec l’air ambiant (Figure 3.1). Les travaux menés ici sont néanmoins tout à fait transposables à d’autres situations pourvu que les écarts de température soient comparables, c’est à dire faibles. La différence de température entre les deux faces est ainsi exploitée afin de convertir directement la chaleur en électricité. Le module utilisé dispose d’une relativement faible densité de cellules et d’un couplage thermique à l’environnement médiocre, l’une des contraintes est donc d’arriver à obtenir une tension en sortie du générateur thermoélectrique suffisamment élevée pour être convertible et exploitable. Un convertisseur d’adaptation se révèle nécessaire pour adapter (élever) la tension à la charge et/ou à un dispositif de stockage. Comme nous l’avons dit, nous raisonnons ici avec une approche système en considérant les couplages thermiques avec l’environnement, et les couplages électriques avec le convertisseur DC-DC. Certains raisonnements fréquents [Rowe95], consistant à considérer une différence de température constante imposée aux bornes du générateur ou encore un flux de chaleur constant à travers ce dernier, ne sont donc pas applicables ici. En effet, les deux sources de chaleur (le corps humain et l’air ambiant) ne sont pas perturbées par la présence du générateur thermoélectrique (compte tenu des faibles quantités d’énergie prélevées) et l’écart de température aux bornes de l’ensemble des thermocouples constituant le module va être très dépendant du couplage thermique à l’environnement et des caractéristiques thermiques du module lui-même.

Table des matières

Introduction générale
1 État de l’art des ressources et des systèmes de récupération d’énergie ambiante, notamment dans l’environnement humain 
1.1 Les ressources énergétiques ambiantes
1.1.1 Les ressources mécaniques
1.1.1.1 Les ressources du corps humain
1.1.1.2 Les vibrations ambiantes
1.1.2 Les ressources thermiques
1.1.2.1 La chaleur du corps humain
1.1.2.2 Les sources de chaleur ambiante
1.1.3 Les ressources électromagnétiques
1.1.3.1 La lumière
1.1.3.2 Les rayonnements hyperfréquences
1.2 Les différents principes de conversion des ressources ambiantes en électricité et leurs applications
1.2.1 La génération électromécanique
1.2.1.1 Principes généraux de la conversion électromécanique
1.2.1.2 Systèmes de conversion électromécanique
1.2.1.2.1 Systèmes directs
1.2.1.2.2 Systèmes indirects
1.2.2 La génération thermoélectrique
1.2.2.1 Principe et technologie d’un générateur thermoélectrique
1.2.2.2 Applications de la génération thermoélectrique
1.2.3 La génération photovoltaïque
1.2.3.1 Principe et technologie d’un générateur photovoltaïque
1.2.3.2 Applications de la génération photovoltaïque
1.2.4 Énergie à partir des ondes radiofréquences
1.2.4.1 Principe de la récupération des hyperfréquences
1.2.4.2 Applications de la récupération des hyperfréquences
1.2.5 Synthèse du potentiel de récupération d’énergie
1.3 Problématique de la thèse et positionnement scientifique
1.3.1 Hybridation des ressources
1.3.1.1 Etat de l’art de l’hybridation des ressources
1.3.1.2 Positionnement de la thèse
1.3.2 Gestion de la consommation
1.3.2.1 État de l’art de la gestion de la consommation
1.3.2.2 Positionnement de la thèse
2 Le générateur micro-cinétique Autoquartz : modélisation pour le dimensionnement 
2.1 Fonctionnement du système Autoquartz
2.1.1 Fonctionnement global
2.1.2 Architecture de conversion
2.1.2.1 Étage mécanique
2.1.2.2 Étage électromécanique
2.2 Modélisation électromécanique du système Autoquartz
2.2.1 Modélisation du mouvement de la masse oscillante
2.2.2 Modélisation de la chaîne de conversion d’énergie
2.2.2.1 Modèle de la décharge du ressort
2.2.2.2 Simulation d’un lâcher de la masselotte à vide sous Matlab Simulink
2.2.2.3 Fonctionnement du système à vide
2.2.2.4 Fonctionnement du système connecté à une source de tension
2.2.2.5 Analyse de sensibilité aux différents paramètres
2.3 Maximisation de la récupération d’énergie
2.3.1 Adaptation du bobinage de la génératrice
2.3.2 Utilisation d’un convertisseur DC-DC commandé
2.3.3 Comparaison des deux solutions d’optimisation du transfert d’énergie
2.4 Modèle de dimensionnement du générateur micro-cinétique Autoquartz
2.4.1 Objectifs
2.4.2 Analyse paramétrique sur un cycle d’excitation spécifique
2.4.2.1 Épaisseur de la masselotte
2.4.2.2 Rapport de multiplication entre la masselotte et le ressort
2.4.2.3 Raideur du ressort
2.4.2.4 Rapport de multiplication entre le ressort et la génératrice
2.4.2.5 Homothétie sur la génératrice
2.4.3 Optimisation des paramètres dimensionnels
2.4.3.1 Méthodologie d’optimisation
2.4.3.2 Application à un type de mouvement particulier
2.5 Conclusion
3 Le générateur thermoélectrique : modélisation pour le dimensionnement dans le contexte humain 
3.1 Contexte de la production thermoélectrique
3.2 Modélisation thermoélectrique du TEG
3.2.1 Le modèle thermoélectrique
3.2.2 Mesures et identification des paramètres du modèle thermoélectrique
3.2.2.1 Mesure du coefficient de Seebeck
3.2.2.2 Mesure de la résistance thermique
3.2.2.3 Mesure de la résistance électrique
3.2.2.4 Validation des hypothèses autorisant la simplification du modèle thermique
3.2.2.5 Estimation des coefficients d’échange thermique de l’environnement du module
3.3 Solutions d’amélioration des performances et validation expérimentale globale
3.3.1 Test du TEG sur plaque chauffante
3.3.2 Test du TEG sur le corps humain
3.4 Approche système en vue du dimensionnement global
3.4.1 Maximisation de la puissance électrique en sortie du TEG
3.4.1.1 Rappel sur la maximisation du rendement
3.4.1.2 Maximisation de la puissance électrique et adaptation thermique d’impédance
3.4.1.3 Prise en compte et modélisation d’un dissipateur thermique à ailettes
3.4.2 Introduction d’un convertisseur DC-DC dans la chaîne de conversion – Optimisation globale du point de fonctionnement
3.4.3 Couplages thermiques et électriques d’un TEG
3.5 Conclusion
4 Modélisations complémentaires : générateur PV, hacheur et accumulateur
4.1 Modélisation du générateur photovoltaïque
4.1.1 Relevés expérimentaux et modélisations numériques
4.1.2 Profils d’éclairement en situation réelle
4.2 Modélisation d’un hacheur élévateur de faible puissance
4.2.1 Le convertisseur LTC3537
4.2.2 Pertes dans les transistors MOS
4.2.2.1 Pertes par conduction
4.2.2.2 Pertes par commutation
4.2.2.3 Puissance consommée par la commande de grille
4.2.3 Modèle électrique du convertisseur
4.2.4 Application : convertisseur connecté au générateur thermoélectrique
4.3 Modélisation de l’élément de stockage
4.3.1 Modélisation électrique d’un accumulateur lithium-ion
4.3.2 Caractérisation expérimentale en charge et en décharge
4.3.2.1 Système expérimental
4.3.2.2 Temps de relaxation
4.3.2.3 Relevé expérimental de la fem en fonction de l’état de charge
4.3.2.4 Quantification du rendement coulombien
4.3.2.5 Détermination de la résistance interne
4.3.3 Normalisation du modèle
4.4 Conclusion
5 Optimisation du dimensionnement global et gestion d’énergie
5.1 Le problème d’optimisation
5.2 L’outil d’optimisation
5.3 Optimisation d’un TEG connecté à un hacheur débitant sur une source de tension
5.3.1 Objectifs, paramètres et contraintes d’optimisation
5.3.2 Cas où le convertisseur est idéal
5.3.3 Prise en compte des pertes du convertisseur
5.4 Optimisation d’un générateur multisource connecté à une charge paramétrable
5.4.1 Objectifs, paramètres et contraintes d’optimisation
5.4.2 Architecture du générateur multisource
5.4.2.1 Optimisation sur cycle du dimensionnement du TEG seul
5.4.2.2 Optimisation sur cycle du dimensionnement du générateur PV seul
5.4.3 Optimisation sur cycle du dimensionnement du générateur multisource
5.4.4 Explication des résultats d’optimisation
5.5 Gestion des profils de consommation – application à la carte PEGASE
5.5.1 Description de la carte PEGASE
5.5.2 Consommations et degrés de liberté
5.5.3 Optimisation du dimensionnement intégrant la gestion de la consommation
5.5.3.1 Objectifs, paramètres et contraintes d’optimisation
5.5.3.2 Résultats d’optimisation
5.6 Conclusion
Conclusion générale et perspectives

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