De nouvelles technologies de récupération d'énergie

Les nouvelles technologies de récupération d'énergie mettent les concepteurs au défi de trouver de nouvelles façons d'alimenter un système. Par exemple, les micro-turbines éoliennes pour téléphones portables et la récupération d'énergie thermique large bande pour les stimulateurs cardiaques constituent de nouvelles manières de générer de l'énergie. Cet article vise à présenter les dernières technologies de récupération d'énergie dans les MEMS et à déterminer l'exploitation de cette énergie par les concepteurs. L'article mettra en avant des dispositifs de Linear Technologies, STMicroelectronics et EnOcean.

À mesure que les besoins en énergie dans les capteurs et les liaisons sans fil diminuent, la récupération d'énergie prend de plus en plus d'importance en facilitant l'alimentation de dispositifs domestiques, industriels et même corporels. C'est pourquoi les chercheurs de différentes sociétés et universités se sont mis au défi de trouver de nouvelles façons de générer de l'énergie pour l'environnement, avec des approches révolutionnaires.

Cela comprend des solutions thermoélectriques (génération d'énergie à partir d'une source de chaleur), pour lesquelles des organisations, telles que le ministère de l'énergie américain, travaillent en collaboration avec BMW et GM pour transformer les pertes de chaleur des moteurs en énergie pour les systèmes électriques des véhicules. La NASA utilise des solutions thermoélectriques pour alimenter les astromobiles sur Mars fonctionnant sans lumière, contrairement aux cellules solaires. Les récupérateurs d'énergie piézoélectriques sont également intéressants grâce à leur format compact et à leur haut rendement. Selon l'institut de recherche IDtechEx, en 2022, ces quatre types de récupérateurs d'énergie devraient avoir presque les mêmes parts de marché pour les applications de détection industrielles. D'ici à 2024, le marché total des dispositifs de récupération d'énergie devrait atteindre 2,6 milliards de dollars.


L'une de ces approches révolutionnaires consiste à utiliser de minuscules éoliennes, fabriquées avec la même technologie que celle présente dans les derniers accéléromètres pour téléphones portables. Un associé de recherche et un professeur d'ingénierie électrique de l'Université du Texas ont conçu une micro-éolienne capable de générer de l'énergie qui, selon eux, pourrait servir à recharger une batterie de téléphone.


Smitha Rao et le professeur J.C. Chiao ont conçu et fabriqué le dispositif qui mesure 1,8 mm à son point le plus large. Selon eux, des centaines d'éoliennes intégrées dans un étui de téléphone portable et le vent, créé en agitant le téléphone dans les airs ou en le tenant face à une fenêtre ouverte par jour de vent, pourraient générer de l'électricité qui serait ensuite collectée dans la batterie du téléphone.

Le travail de Smitha Rao en matière de micro-robots a tout d'abord suscité l'intérêt d'une société taïwanaise, désireuse de collaborer avec elle et J.C. Chiao dans la conception et l'application d'un nouveau dispositif pour les techniques de micro-usinage (MEMS) de la société, qui ont été commercialisées pour les accéléromètres.

Les conceptions de Smitha Rao allient le concept de l'origami à la configuration conventionnelle des composants à semi-conducteur en plaquette, permettant à des structures mécaniques 3D amovibles et complexes d'être auto-assemblées à partir de pièces métalliques bidimensionnelles en utilisant des techniques de galvanoplastie multicouches de type planar, optimisées par la fonderie WinMEMS Technologies. Le bon fonctionnement des micro-éoliennes repose sur la flexibilité de l'alliage de métaux utilisé et sur la conception minimaliste de Smitha Rao.

Ces micro-éoliennes ont été testées avec succès en septembre 2013, dans le laboratoire de J.C. Chiao. Grâce à l'alliage nickel durable et à la conception aérodynamique intelligente, elles fonctionnent dans des conditions artificielles de vents forts, sans rupture. L'utilisation d'un alliage nickel permet de résoudre le problème qui se pose à bon nombre de concepteurs MEMS, c'est-à-dire la fragilité des matériaux, et ainsi présenter des dispositifs durables.

Selon Smitha Rao, il s'agit seulement d'une première étape, car les micro-éoliennes peuvent être réalisées en matrice à l'aide de traitements par lots. Le coût de fabrication d'un dispositif est identique à la fabrication de centaines ou de milliers de dispositifs sur une seule plaquette, ce qui permet la production de masse de systèmes à très faible coût.

Leur petite taille signifie que des panneaux plats avec des milliers d'éoliennes pourraient être réalisés, puis montés sur les murs des maisons ou des immeubles, de manière à récupérer l'énergie pour l'éclairage, la sécurité, la détection environnementale ou encore les communications sans fil.

Toutefois, même si elles permettaient de recharger un téléphone ou pouvaient être montées sur une maison, les matrices d'éoliennes ne génèreraient que de faibles quantités de courant, créant potentiellement d'importantes variations qui devraient être gérées par le système de gestion de l'alimentation. Même si une batterie de téléphone portable peut être utilisée pour lisser ces variations, la charge doit être gérée avec soin. En ce qui concerne l'alimentation d'une maison, cela peut se révéler plus complexe encore.

Des dispositifs tels que le LTC3108 de Linear Technology offrent une sortie stable à partir de courants d'entrée très faibles. Pour réussir, la matrice d'éoliennes devra correspondre à la plage d'entrées des dispositifs de gestion de l'alimentation, ce qui présage une optimisation minutieuse. Il est possible que cela implique des tolérances d'entrée inférieures à celles actuellement disponibles, ce qui pourrait influencer la conception de la prochaine génération de dispositifs de gestion de l'alimentation.

STMicroelectronics s'ouvre également aux applications de récupération d'énergie avec une nouvelle puce qui présente toutes les fonctions nécessaires à l'alimentation de circuits électroniques et à la charge de batteries, grâce à l'utilisation d'une cellule solaire ou d'un générateur thermoélectrique. Cette puce repose sur son convertisseur élévateur CC/CC monolithique entrelacé à quatre phases SPV1020, conçu pour optimiser l'énergie générée par les panneaux photovoltaïques, indépendamment de la température et du rayonnement solaire.

L'optimisation de la conversion d'énergie est le résultat d'une logique intégrée qui exécute l'algorithme MPPT (recherche de point de puissance maximale) sur les cellules photovoltaïques connectées au convertisseur. La boîte de raccordement des panneaux photovoltaïques peut accueillir un ou plusieurs convertisseurs, remplaçant ainsi les diodes de dérivation ; le point de puissance maximale étant calculé localement, le rendement au niveau du système est plus élevé que celui des topologies conventionnelles qui calculent le point de puissance maximale dans l'onduleur centralisé principal.

En étendant cette capacité aux systèmes de générateur thermoélectrique, le SPV1050 prend en charge des applications avec des besoins en énergie de quelques microwatts à plusieurs milliwatts et convient parfaitement aux applications industrielles et grand public intérieures et extérieures qui utilisent l'énergie solaire ou thermique.

Les régulateurs 1,8 V et 3,3 V permettent tous deux d'alimenter directement un microcontrôleur auxiliaire ou un émetteur sans fil, sans nécessiter de composants supplémentaires.

À l'intérieur du dispositif, un convertisseur abaisseur-élévateur lui permet de se connecter à un générateur thermoélectrique ou à des modules de récupération d'énergie solaire intérieurs/extérieurs en fournissant une vaste plage de tensions d'entrée de 180 mV à 8 V. Le rendement de fonctionnement moyen de 90 % permet une charge de batterie rapide, même à de faibles niveaux de puissance d'entrée, tandis que la précision MPPT minimale de 90 % optimise l'extraction de l'énergie à partir de sources solaires ou de générateur thermoélectrique. En outre, le contrôleur de charge batterie intégré utilise des seuils de sous-tension et de fin de charge haute précision et offre une logique de contrôle sécurisée pour éviter que la batterie ne se décharge trop vite et ainsi rallonger sa durée de vie.

Énergie piézoélectrique pour le cœur

Une technologie différente est utilisée pour alimenter les stimulateurs cardiaques qui permettent au cœur de continuer à battre : un quartz piézoélectrique.

Des dispositifs électroniques ont été développés pour réaliser toutes sortes de fonctions dans le corps humain, notamment les implants cochléaires ou les défibrillateurs implantables. Aujourd'hui, ces dispositifs reposent presque tous sur une batterie à durée de vie limitée. La durée de vie d'un stimulateur cardiaque se situe entre 6 et 10 ans. Le remplacement de la batterie entraîne inévitablement une opération chirurgicale, avec les risques et les coûts qu'elle comporte.

Un implant piézoélectrique flexible, capable d'exploiter l'énergie libérée par les mouvements naturels du corps, a été développé par des instituts de recherche aux États-Unis et en Chine. Le groupe de chercheurs espère qu'un tel dispositif pourra, dans le futur, fournir l'électricité nécessaire pour de nombreux implants médicaux. Les tests pratiqués sur des vaches et des moutons révèlent que l'énergie récupérée dans les battements du cœur, grâce à ce dispositif, permet déjà d'alimenter un stimulateur cardiaque moderne.


Un dispositif capable de générer de l'énergie devrait, en principe, fonctionner sans durée limitée. La source d'énergie corporelle la plus évidente est celle produite par les mouvements réguliers du corps, tels que le cœur, les poumons ou le diaphragme. Toutefois, les exigences en matière de récupérateur d'énergie mécanique sont strictes, car le dispositif doit générer assez d'électricité pour alimenter l'implant, sans interférer avec les mouvements naturels du corps. Il s'agit d'une question essentielle lorsqu'un récupérateur d'énergie est relié au cœur, car l'application d'une pression en dehors du cœur pourrait entraîner un battement irrégulier, alors que les stimulateurs cardiaques sont justement utilisés pour corriger ce genre de problème.

Le groupe de l'Université de l'Illinois, dirigé par John Rogers, a développé un patch piézoélectrique flexible, capable de récupérer l'énergie mécanique d'un battement de cœur. L'implant comprend un film composé de rubans de 500 nm d'épaisseur en titanate-zirconate de plomb (PZT), entouré d'électrodes en or et en platine. Le PZT est piézoélectrique : il développe une tension lorsqu'il est courbé. La sortie est utilisée pour charger une batterie miniature intégrée au dispositif, et l'ensemble est conditionné dans une couche de polyimide pour des raisons de biocompatibilité.

Le groupe de recherche a testé les patchs en les cousant dans différentes directions sur les cœurs de moutons et de vaches anesthésiés. La tension produite par les patchs s'est révélée presque conforme aux théories et les implants n'ont pas interféré avec le battement naturel du cœur.

Selon le groupe de recherche, le dispositif peut générer jusqu'à 0,18 μW/cm² lorsqu'il est cousu dans une direction optimale sur le ventricule droit. Ces stimulateurs cardiaques innovants fonctionnent avec seulement 0,3 µW : une sortie de puissance permise grâce à la superposition de plusieurs couches piézoélectriques les unes sur les autres. Le groupe a désormais reçu l'approbation du comité d'éthique de laisser les patchs en place, de réveiller les animaux et de surveiller leur comportement sur plusieurs mois, voire plusieurs années, afin de vérifier que le dispositif fonctionne correctement, sans trop perturber les animaux. L'objectif est d'augmenter la durée de vie du stimulateur cardiaque pour dépasser dix ans, ce qui représente un réel défi en matière de biocompatibilité.

La récupération d'énergie piézoélectrique est déjà utilisée dans les applications industrielles, notamment le dispositif Volture V21BL de Midé. Le quartz résonne avec les vibrations de l'équipement, générant assez de courant pour alimenter un capteur. La réalisation de dispositifs si petits, qui prennent en considération les questions de gestion de l'alimentation et de compatibilité avec les tissus humains, présente un défi que les instituts de recherche sont prêts à relever.

Liaisons sans fil à récupération d'énergie

À plus large échelle, l'expert allemand en matière de récupération d'énergie, EnOcean, a développé un commutateur à récupération d'énergie économique, capable d'alimenter une liaison radio de 2,4 GHz, comme son système Dolphin.


D'un côté, l'outil de démonstration de 2,4 GHz présente un commutateur double à récupération d'énergie économique, intégrant une puce RF de 2,4 GHz pour la communication avec les nœuds de capteur, et une puce radio NFC (communication en champ proche) pour activer le commutateur. De l'autre côté, l'outil de démonstration est une carte avec DEL et éléments électroniques de contrôle, qui reçoit le message On/Off lors des pressions sur le commutateur.

Grâce au convertisseur d'énergie électromécanique d'EnOcean, la pression sur un bouton est convertie en énergie capable d'alimenter un signal sans fil, permettant ainsi une communication de données sans câbles, ni piles. Le prototype associe les fonctionnalités de l'émetteur avec le récepteur à l'aide d'un smartphone. Pour les développeurs et les utilisateurs système, cela ouvre la voie à de nouvelles manières d'intégrer des composants sans pile dans leur réseau.

La puce NFC permet aux installateurs, voire aux consommateurs, de configurer le commutateur depuis n'importe quel smartphone compatible NFC. Les dispositifs peuvent être utilisés dans un large éventail d'applications domotiques et industrielles, étant donné que les commutateurs ne requièrent pas de câbles et peuvent fonctionner dans un rayon pouvant atteindre 3 km. Il ne s'agit, pour le moment, que d'une étude visant à démontrer qu'un simple commutateur à récupération d'énergie prêt à l'emploi peut alimenter une liaison radio dans la bande ISM gratuite.

EnOcean a également développé un intergiciel basé sur Linux et doté d'une bibliothèque permettant d'interpréter tous ses protocoles radio faible puissance et de traduire l'ensemble des messages de capteur du niveau logique au niveau IP, afin que d'autres dispositifs, serveurs ou services de cloud puissent les traiter. Cela fait partie du développement de la société visant à prendre en charge une vaste gamme de protocoles RF via ces technologies de récupération d'énergie. La société présente un plug-in destiné au secteur MiOS pour contrôler les émetteurs-récepteurs Z-Wave®, notamment le ZM5202, grâce aux commutateurs et capteurs auto-alimentés.


Le nouveau plug-in crée un pont entre EnOcean, une norme établie d'immotique sans fil, et les produits sans fil résidentiels Z-Wave. Cela signifie que les développeurs Z-Wave peuvent à présent utiliser les technologies de récupération d'énergie d'EnOcean, de la génération physique à la génération solaire et thermique. Cela permet également aux développeurs Z-Wave de s'adresser aux membres de l'Alliance EnOcean, qui regroupe désormais 350 sociétés à travers le monde.

Conclusion

La diminution des besoins en énergie, démontrée par des sociétés telles qu'EnOcean, mène la recherche vers les technologies de récupération d'énergie. Même si l'idée d'une matrice de minuscules éoliennes générant de l'énergie à partir du vent récupéré pour un téléphone portable peut sembler étrange, cette approche présente de nouvelles façons d'utiliser la technologie MEMS grand public pour générer de l'énergie. Cela aura également des conséquences sur la conception et le développement de puces et de sous-systèmes de gestion de l'alimentation, notamment les nouveaux dispositifs de STMicroelectronics, qui prennent en charge différentes technologies de récupération d'énergie via une large plage d'entrées. Comme le démontre EnOcean, ces technologies de récupération d'énergie peuvent désormais être liées aux technologies sans fil existantes, telles que Z-Wave de Sigma Designs, en puisant dans un marché existant et éprouvé. Les concepteurs qui développent des systèmes ultrabasse consommation pour les applications médicales, industrielles ou domestiques, disposent d'un vaste choix d'options permettant d'alimenter les dispositifs sans recourir à des batteries.