Dans la litt´erature, diff´erentes sources d’´energie se r´ev`elent de plus en plus attrac-
tives. Nombreuses sont celles qui sont capables d’alimenter les syst`emes communicants
[21]. Parmi ces sources, on cite l’´energie vibratoire qui r´esulte de vibrations ou de chocs, l’´energie nucl´eaire, l’´energie ´electromagn´etique, l’´energie thermique, l’´energie solaire pho- tovolta¨ıque (indoor et outdoor) ou encore l’´energie ´eolienne [6-12].
On note que la comparaison de ces diff´erentes sources est d´elicate car elle est d´e- pendante de nombreux facteurs et de la classe d’application consid´er´ee. Cependant, des ´
etudes comparatives dans [21-23] ont permis de comparer les densit´es de puissance de ces diff´erentes sources. Les r´esultats de comparaison sont pr´esent´es dans le tableau 1.1.
Source d’´energie utilis´ee Densit´e de puissance
Photovolta¨ıque en ext´erieur (cellule de rendement ´egal `a 15%) 15 mW/cm2 Photovolta¨ıque en int´erieur (cellule de rendement ´egal `a 6%) 100 10−3 mW/cm2
Vibrations (four `a micro-ondes) 16 10−3 mW/cm3
Thermo´electrique (pour un gradient de 10◦C) 40 10−3 mW/cm3
Bruit acoustique (100 dB) 0.96 10−3 mW/cm3
Table 1.1 – Comparaison de diff´erentes sources d’´energie ambiantes.
Ce tableau montre que la quantit´e d’´energie solaire r´ecup´er´ee en ext´erieur est plus ´
elev´ee par rapport aux autres formes d’´energies r´ecup´er´ees. Cette constatation sera ensuite utile pour le choix des sources d’´energie afin d’alimenter notre syst`eme connect´e.
4.2.1 R´ecup´eration d’´energie vibratoire
L’´energie vibratoire fait l’objet d’intenses travaux de recherches, car il s’agit d’une forme d’´energie qui est pr´esente en quantit´e significative autour de toutes les activit´es qui se produisent dans l’environnement [20]. Dans ce cas, la puissance disponible varie fortement avec la proximit´e et la nature de la source de vibrations. Celle-ci est estim´ee `a environ 10. 10−3 `a 200. 10−3 mW/cm3 dans [24]. Le tableau 1.2 pr´esente des comparaisons entre des syst`emes aliment´es par l’´energie vibratoire.
R´ef. Dimension Puissance r´ecup´er´ee Descriptions et applications
[26] 400 cm3 2,5 mW Vibrations extrˆemement amples (164 m.s−2
`
a 102 Hz).
[27] 700 cm3 3 mW Mesure de vibrations `a l’aide d’´el´ements pi´e-
zo´electriques. R´ealisation d’un syst`eme com- municant avec des essais `a bord d’un navire.
[28] - 1 mW D´eveloppement et r´ealisation d’un nouveau
prototype de surveillance des structures `a base d’´el´ements pi´ezo´electriques.
4 R´ecup´eration d’´energie 15
4.2.2 R´ecup´eration d’´energie thermique
L’utilisation des gradients de temp´erature pour alimenter les capteurs communicants est essentiellement r´eserv´ee aux applications exploitant l’´energie humaine ainsi que l’´ener- gie provenant de machines [20-25]. Le travail de Starner et al. [29] est encore la r´ef´erence pour l’estimation de la puissance r´ecup´erable sur un ˆetre humain (tableau 1.3). Dans ce type d’application, il est n´ecessaire de consid´erer l’´ecart de temp´erature ∆ lors de la me- sure du rendement de la cellule. En effet, une mˆeme cellule de rendement not´e R donne au maximum une puissance P ´egale `a 25 mW.K−1.cm−2 pour un ´ecart de 70 Kelvin, et seulement 1.7 10−3 mW/cm3 pour un ´ecart de 5 Kelvin (c’est-`a-dire P = R.∆2). On note alors une grande d´egradation des performances du syst`eme de r´ecup´eration `a bas gradient de temp´erature [20-21].
R´ef. Puissance r´ecup´er´ee Conditions et applications
[30] 1.7 10−3 mW/cm3 Laboratoire en int´erieur, ∆ = 5 kelvin.
[31] 25 mW.K−1.cm−2 Laboratoire en int´erieur, ∆ = 70 kelvin.
[32] 40 10−3 mW/cm3 Laboratoire en int´erieur, ∆ = 10 kelvin.
Table 1.3 – ´Energie thermique pour alimenter les capteurs communicants.
4.2.3 R´ecup´eration des Rayonnements radio-fr´equences
Actuellement, on cherche `a alimenter les objets communicants en utilisant le rayonne- ment radio-fr´equence `a cause de la grande densit´e d’´emetteurs pr´esents au sol (2G, 3G, 4G, FM ou WiFi) [20-22, 25-28]. Cependant, la quantit´e d’´energie r´ecup´er´ee est souvent faible, sauf `a proximit´e de la source. Pour rem´edier `a ce probl`eme, il faut utiliser des capteurs de grandes surfaces [20-21]. Un exemple de r´ealisation avec une source RF pour alimenter un capteur sans fil a ´et´e pr´esent´e par Mascarenas et al. [33]. Dans ce travail les auteurs ont r´eussi `a r´ecup´erer 2,5 mW avec une distance source/r´ecepteur qui ne d´epasse pas 61 cm.
4.2.4 R´ecup´eration d’´energie solaire
L’exploitation des sources d’´energie solaire a suscit´e de nombreux travaux scientifiques [20-25]. En effet, depuis la d´ecouverte de l’effet photovolta¨ıque en 1839 par Antoine Bec- querel puis son application `a la production ´electrique en 1954, on assiste `a des solutions commerciales pour exploiter cette source d’´energie [23-24]. Dans ce cas, les meilleurs ren- dements de conversion de l’´energie solaire vont jusqu’`a 20% [34]. Le tableau 1.4 montre des donn´ees caract´eristiques sur la r´ecup´eration d’´energie solaire.
R´ef. Rendement de la cellule Puissance moyenne Conditions
[35] 20 % 11 `a 19 mW.cm−2 Soleil sans nuages en ext´erieur.
[36] 15 % 5.6 `a 6.7 mW.cm−2 R´egion temp´er´ee.
[32] 5 % 3.5 mW.cm−2 Journ´ee ensoleill´ee.
[38] 20 % 49 mW.cm−2 Journ´ee ensoleill´ee.
16 Contexte du projet et ´etat de l’art 4.2.5 R´ecup´eration d’´energie ´eolienne
Dans la litt´erature [37-39], on retrouve des travaux de recherches faits sur des ´eoliennes de diff´erentes dimensions. Ces ´eoliennes permettent de donner des puissances allant de quelques milliwatts `a quelques dizaines de Watts [38]. Ces micro-turbines sont destin´ees `
a la production de l’´energie pour des domaines sp´ecifiques tels que celui des objets com- municants. Ainsi, un support scientifique et technique important a permis d’am´eliorer le fonctionnement de ces petites ´eoliennes afin d’augmenter leurs performances pour alimen- ter les capteurs sans fil [39]. On note que l’´energie ´eolienne permet d’avoir des quantit´es d’´energie comparables `a celles donn´ees par le soleil. De plus, comme indiqu´e dans [44-45], le vent peut-ˆetre consid´er´ee comme une source compl´ementaire au soleil.
4.2.6 Conclusion
D’apr`es les donn´ees fournies dans les paragraphes pr´ec´edents, nous remarquons que les quantit´es d’´energies offertes par les vibrations, la chaleur ou les rayonnements radio- fr´equences sont assez faibles pour r´ealiser l’autonomie des capteurs communicants, pour un certain nombre d’applications qui demande une quantit´e d’´energie ´elev´ee. Nous avons montr´e ensuite l’importance du soleil et du vent pour fournir des quantit´es d’´energie comparables et compl´ementaires `a l’ext´erieur. Comme on le verra dans le chapitre suivant, ces quantit´es d’´energie sont suffisantes pour satisfaire les besoins ´energ´etiques d’un nœud capteur qui consomme environ 92 mW pour transmettre l’information avec un module LoRa.
Afin de conclure, il s’agit de r´ealiser un capteur communicant qui soit autonome en ´
energie. Cette autonomie d’´energie va se baser principalement sur la r´ecup´eration d’´energie solaire, comme ´etant la source principale d’´energie. La deuxi`eme source d’´energie choisie, permettant d’avoir une quantit´e d’´energie compl´ementaire voire mˆeme comparable `a celle offerte par le soleil, est l’´energie ´eolienne. Nous pr´esentons alors dans ce qui suit les diff´erentes techniques de conversion et de stockage de ces ´energies.