R ADIOFREQUENCE ET R ECTENNA

Dans notre environnement moderne, une grande quantité d’objets émet un champ électromagnétique en permanence (réseau électrique, téléphones sans fils, modem Wi-Fi, etc.) qui peut être récupéré par des dispositifs appelées rectennas (contraction anglaise de « rectifier » et « antenna »).

Conçues au début comme moyen de transmission de puissance [92] (une source émet un champ électromagnétique qui est récupéré par une rectenna), la diminution de la consommation des systèmes électroniques et la multiplication des sources électromagnétiques fait envisager leur utilisation en récupération d’énergie. Les recherches actuelles se focalisent surtout sur le rendement du système (optimisation de l’antenne et performance des diodes de redressement) et atteignent des valeurs pouvant dépasser les 80% pour une fréquence donnée, ici 2,4GHz (fréquence Wi-Fi, téléphonie mobile, etc.) [93].

29 Néanmoins, l’intensité des champs considérés est très faible, au maximum de l’ordre du µW/cm² (voir Figure 30), et permet difficilement aujourd’hui d’envisager une application concrète.

Figure 30. Densité de puissance électromagnétique à la sortie d'une station de métro londonienne sur les gammes de fréquence de télévision numérique, téléphonie mobile et Wi-Fi [94].

1.3.4. T

Dans notre environnement humain, les pertes d’énergie des machines ou des procédés que nous utilisons sont très souvent sous forme de perte de chaleur et génèrent donc des flux thermiques (refroidissement d’un moteur, gaz d’échappement, évacuation de la chaleur résiduelle d’une centrale électrique, etc.). Récupérer cette énergie perdue peut-être un moyen d’augmenter le rendement du procédé ou simplement une opportunité pour faire fonctionner un système autonome.

Nous présentons ici trois techniques de récupération de l’énergie thermique : la pyroélectricité, la thermoélectricité, et la fabrication de micromachines thermiques.

1.3.4.1. P

Les matériaux pyroélectriques constituent une sous-famille des matériaux piézoélectriques qui présentent une variation de leur polarisation électrique lorsqu’ils sont soumis à une variation temporelle de température [95]. La puissance qu’ils génèrent est proportionnelle à la rapidité de variation de la température, ce qui limite en pratique les possibilités d’utilisation de ces dispositifs, les environnements présentant des variations rapides de température étant rares.

Ils restent néanmoins étudiés grâce à certaines propriétés prometteuses : ils peuvent être fabriqués à des échelles micrométriques [96], permettant d’améliorer la vitesse de variation de leur température. Etant également piézoélectriques, ils peuvent être utilisés dans des récupérateurs hybrides tirant profit des deux effets, comme des patchs étirables pyro-piézoélectriques rapportés dans [97] (voir Figure 31).

Etat de l’art de l’alimentation des capteurs sans fil

30 Figure 31. Récupérateur combinant l'effet piézoélectrique et pyroélectrique [97].

1.3.4.2. T

Le moyen le plus répandu de récupération de l’énergie thermique est l’utilisation de l’effet Seebeck qui permet de convertir un flux de chaleur en énergie électrique. Cet effet thermoélectrique permet de produire une tension V à partir d’un gradient thermique ∆T appliqué aux jonctions de deux matériaux de nature différente. Il est caractérisé par un coefficient Seebeck αab propre au couple de matériaux utilisé, selon l’équation :

Δ

La tension générée est faible et les générateurs utilisant cet effet, appelés thermogénérateurs (TEG), sont constitués d’un ensemble de « plots » de semi-conducteurs dopés P et N connectés en série. Les jonctions entre ces plots sont placées du côté chaud et du coté froid du gradient, comme sur la Figure 32 représentant la structure de base constituée d’une jonction.

Figure 32. Structure de base d'un thermogénérateur. Une des deux jonctions entre les deux types de semiconducteurs est placée du côté chaud, l'autre du côté froid [98].

L’utilisation de semiconducteurs permet d’optimiser la puissance électrique générée pour un gradient thermique donné. L’utilisation de métaux est par exemple privilégiée pour la réalisation de thermocouples qui cherchent à maximiser la tension générée.

La génération d’énergie électrique grâce aux thermogénérateurs est une technologie ancienne mais un regain d’intérêt est apparu ces dernières années pour différentes raisons : des applications pourraient voir, par ce

31 moyen, une amélioration du rendement énergétique global du système en convertissant la chaleur considérée perdue, comme celles des gaz d’échappement d’une voiture [99], [100], ou des évacuations de chaleur dans des processus industriels [101], [102].

Aujourd’hui, des thermogénérateurs à couche mince mesurant quelques mm² ou cm² sont commercialement disponibles [103], [104] et permettent leur intégration dans des systèmes miniaturisés. Les recherches actuelles portent sur des thermogénérateurs sur substrat souple pour pousser cette intégration sur un maximum de support comme les textiles.

Un générateur thermoélectrique peut générer quelques milliwatts pour les générateurs à couche mince exposés à un gradient de quelques degrés [104] jusqu’à plusieurs dizaines de watts pour des dispositifs massifs soumis à des gradients de plus de 200°C [105].

Concernant le domaine aéronautique, les gradients présents naturellement à bord d’un aéronef peuvent être utilisés, comme dans le travail que nous présentons au chapitre 3 (Deuxième cas d’étude : récupérateur thermoélectrique pour la surveillance de structure aéronautique). Des montages utilisant un matériau à changement de phase ont été conçus pour réaliser un « stockage » thermique en utilisant la chaleur latente (en général de fusion) et ainsi maintenir un gradient thermique aux bornes du TEG pendant une longue durée en tirant profit de la différence de température entre celle au sol et celle à l’altitude de vol de l’avion [106], [107].

Nous revenons en détail sur la physique de la thermoélectricité et l’utilisation de l’effet Seebeck comme principe de récupération d’énergie dans le chapitre 3.

1.3.4.3. M

Une troisième manière de récupérer l’énergie thermique présente sous forme de gradient est la réalisation d’une micromachine thermique. Une machine thermique est un mécanisme qui fait subir à un fluide, des transformations cycliques où le fluide échange de l'énergie sous forme de chaleur avec une source froide et une source chaude et produit un travail mécanique.

Le premier exemple que nous présentons est constitué d’une partie mobile pyroélectrique contenant une cavité d’air du côté de la source de chaleur (voir Figure 33). En position de repos, la partie mobile pyroélectrique est au contact de la source chaude ; lorsque l’air situé dans cette cavité se réchauffe, il se dilate et déplace la partie mobile pour l’amener au contact de la source froide. L’air refroidit alors ramenant le système en position de départ. Dans ce déplacement, le matériau pyroélectrique a changé deux fois de température, générant un courant électrique [108] .

Figure 33. Micromachine thermique pyroélectrique [108].

Le deuxième exemple n’est pas à proprement parler une machine thermique, puisque ne faisant pas intervenir de fluide, mais reste très similaire dans son fonctionnement. Ce système est composé d’un bilame, une

Etat de l’art de l’alimentation des capteurs sans fil

32 lame composée de deux métaux différents, contenu dans une cavité. La lame et les deux métaux sont conçus et choisis pour se déformer en chauffant et en refroidissant, créant ainsi une oscillation entre une source chaude et une source froide. Deux moyens ont été envisagés pour récupérer cette énergie : en utilisant un électret placé sur le côté froid de la cavité, le bilame oscillant servant alors de contre-électrode (Figure 34), ou en déposant un matériau piézoélectrique sur le côté chaud et froid, la lame oscillante venant frapper ce matériau qui génère alors un courant sous le choc.

Figure 34. Schéma du récupérateur thermique basé sur l'oscillation d'une lame bimétallique. Sur ce schéma, la génération s’effectue grâce à un électret. [109].