Human energy harvesting/fr

La récupération d'énergie humaine est un terme utilisé pour décrire l'utilisation de systèmes qui utilisent le corps humain comme principale source d'énergie pour produire et stocker de l'énergie (souvent sous forme d'électricité). ^{[ 1 ]} Les systèmes de récupération d'énergie humaine sont souvent de petits appareils autonomes sans fil, comme ceux utilisés dans l'électronique portable et les réseaux de capteurs sans fil. À l'heure actuelle, les récupérateurs d'énergie humaine ne produisent pas suffisamment d'énergie pour effectuer un travail mécanique, mais fournissent une très faible quantité d'énergie pour alimenter l'électronique basse consommation. Si le combustible utilisé pour la production à grande échelle est coûteux (pétrole, charbon, etc.), le « carburant » des récupérateurs d'énergie est naturellement présent et est donc considéré comme gratuit. Par exemple, le fonctionnement d'un moteur à combustion entraîne des gradients de température et, dans les zones urbaines, une grande quantité d'énergie électromagnétique est également présente dans l'environnement en raison de la radiodiffusion et de la télévision.

Opération

Les dispositifs de récupération d'énergie convertissant l'énergie ambiante en énergie électrique suscitent un vif intérêt dans les secteurs militaire et commercial. Certains systèmes convertissent le mouvement, comme celui des vagues, en électricité, laquelle est ensuite utilisée par des capteurs de surveillance océanographique pour un fonctionnement autonome. Les applications futures pourraient inclure des dispositifs de forte puissance (ou des réseaux de dispositifs de ce type) déployés en zones reculées pour servir de centrales électriques fiables aux grands systèmes. Une autre application concerne l'électronique portable, où les dispositifs de récupération d'énergie peuvent alimenter ou recharger téléphones portables, ordinateurs portables, équipements de radiocommunication, etc. Tous ces dispositifs doivent être suffisamment robustes pour supporter une exposition prolongée à des environnements hostiles et disposer d'une large plage de sensibilité dynamique pour exploiter l'intégralité du spectre des mouvements des vagues.

énergie

L'énergie peut également être récupérée pour alimenter de petits capteurs autonomes, tels que ceux développés grâce à la technologie MEMS. Ces systèmes sont souvent très compacts et consomment peu d'énergie, mais leurs applications sont limitées par leur dépendance à l'énergie des batteries. La récupération d'énergie des vibrations ambiantes, du vent, de la chaleur ou de la lumière pourrait permettre aux capteurs intelligents de fonctionner indéfiniment. Plusieurs groupes universitaires et commerciaux ont participé à l'analyse et au développement de technologies de récupération d'énergie par vibrations, notamment le groupe Contrôle et Puissance et le groupe Dispositifs Optiques et Semiconducteurs de l'Imperial College de Londres, l'IMEC et le Holst Centre partenaire, ^{[ 2 ]} le MIT de Boston, Georgia Tech, l'UC Berkeley, l'Université de Southampton, PMG Perpetuum, l'Université nationale de Singapour et l'Université Columbia. ^{[ 3 ]}

Les densités de puissance typiques disponibles pour les dispositifs de récupération d'énergie dépendent fortement de l'application spécifique (qui influence la taille du générateur) et de sa conception. En général, pour les dispositifs alimentés par le mouvement, les valeurs typiques sont de quelques valeurs.μW/cc pour les applications alimentées par le corps humain et des centaines deμW/cc pour les générateurs alimentés par des machines. ^{[ 4 ]}

En pratique, pour les dispositifs de récupération d’énergie destinés à l’électronique portable, la plupart des appareils ne génèrent que quelques milliwatts d’énergie. ^{[ 5 ]}

Stockage

En général, l'énergie peut être stockée dans un condensateur , un supercondensateur ou une batterie. Les batteries utilisent l'énergie chimique stockée pour fournir de l'énergie aux utilisateurs. Les condensateurs sont utilisés lorsque l'application nécessite des pics d'énergie importants. Les batteries, quant à elles, présentent une faible perte d'énergie et sont donc utilisées lorsque l'appareil doit fournir un flux d'énergie constant.

Utilisation du pouvoir

Dans les petites applications (électronique portable), l'énergie suit le circuit suivant : après avoir été transformée (par exemple par un onduleur AC/DC vers DC/DC) et stockée dans un tampon d'énergie (par exemple une batterie, un condensateur, un condensateur, etc.), l'énergie circule dans un microprocesseur (équipé de capteurs en option) et est transmise (généralement sans fil).

Motivation

L'histoire de la récupération d'énergie remonte à l'époque du moulin à vent et de la roue hydraulique. Depuis des décennies, on cherche à stocker l'énergie issue de la chaleur et des vibrations. L'une des motivations de la recherche de nouveaux dispositifs de récupération d'énergie est la volonté d'alimenter les réseaux de capteurs et les appareils mobiles sans batterie. La récupération d'énergie est également motivée par la volonté de lutter contre le changement climatique et le réchauffement climatique.

les appareils

Il existe de nombreuses sources d’énergie à petite échelle qui ne peuvent généralement pas être transposées à l’échelle industrielle :

• Les cristaux ou fibres piézoélectriques génèrent une faible tension lorsqu'ils sont déformés mécaniquement. Les vibrations des moteurs , tout comme le talon d'une chaussure, peuvent stimuler les matériaux piézoélectriques.
• Certaines montres-bracelets sont déjà alimentées par l'énergie cinétique (appelées montres cinétiques), en l'occurrence le mouvement du bras. Ce mouvement entraîne le déplacement de l'aimant du générateur électromagnétique. Ce mouvement produit une variation de flux, qui génère une force électromotrice induite sur les bobines. Ce concept est simplement lié à la loi de Faraday.
• Les générateurs thermoélectriques (TEG) sont constitués de la jonction de deux matériaux différents et de la présence d'un gradient thermique. Des tensions de sortie élevées sont possibles en connectant plusieurs jonctions électriquement en série et thermiquement en parallèle. Leur performance typique est de 100 à 200 µV/degré C par jonction. Ils permettent de capter des mW d'énergie provenant d'équipements industriels, de structures, voire du corps humain. Ils sont généralement couplés à des dissipateurs thermiques pour améliorer le gradient de température.
• Les micro-éoliennes permettent de capter l'énergie éolienne, facilement disponible dans l'environnement, sous forme d'énergie cinétique, afin d'alimenter des appareils électroniques de faible puissance, tels que des capteurs sans fil. Lorsque l'air circule sur les pales de l'éolienne, une différence de pression nette se crée entre les vitesses du vent au-dessus et en dessous des pales. Cela génère une force de portance qui, à son tour, fait tourner les pales. C'est ce qu'on appelle l'effet aérodynamique.
• Des antennes spéciales peuvent collecter l'énergie des ondes radio parasites ou théoriquement même de la lumière (rayonnement électromagnétique). ^{[ vérification nécessaire ]}

rayonnement

Les émetteurs radio omniprésents constituent une source d'énergie potentielle. Malheureusement, une grande zone de captage ou la proximité de la source rayonnante est nécessaire pour obtenir des niveaux de puissance utiles.

Une idée consiste à diffuser délibérément de l'énergie RF pour alimenter des appareils distants : c'est désormais courant dans les systèmes d'identification par radiofréquence (RFID) passifs, mais la Commission de sécurité et la Commission fédérale des communications des États-Unis (et les organismes équivalents dans le monde entier) limitent la puissance maximale qui peut être transmise de cette manière.

Récolte biomécanique

Des récupérateurs d'énergie biomécanique sont également en cours de développement. Un modèle actuel est le récupérateur d'énergie biomécanique de Max Donelan, qui s'attache autour du genou. ^{[ 6 ]} De tels appareils permettent de générer 2,5 watts de puissance par genou, soit suffisamment pour alimenter environ cinq téléphones portables.

piézoélectrique

L'effet piézoélectrique convertit la contrainte mécanique en courant ou tension électrique. Cette contrainte peut provenir de nombreuses sources : mouvements humains, vibrations sismiques basse fréquence et bruit acoustique en sont des exemples courants. Sauf rares exceptions, l'effet piézoélectrique fonctionne en courant alternatif, nécessitant des entrées variables dans le temps à la résonance mécanique pour être efficace.

La plupart des sources d'électricité piézoélectriques produisent une puissance de l'ordre du milliwatt, une puissance insuffisante pour une application systémique, mais suffisante pour des appareils portables comme certaines montres-bracelets automatiques disponibles dans le commerce. Une hypothèse est de les utiliser pour des dispositifs microscopiques, comme un dispositif de récupération d'énergie microhydraulique. Dans ce dispositif, le flux de fluide hydraulique sous pression actionne un piston alternatif supporté par trois éléments piézoélectriques qui convertissent les fluctuations de pression en courant alternatif.

Les systèmes piézoélectriques peuvent convertir le mouvement du corps humain en énergie électrique. La DARPA a financé des efforts visant à exploiter l'énergie des mouvements des jambes et des bras, des impacts des chaussures et de la pression artérielle pour alimenter en énergie de faible intensité des capteurs implantables ou portables. Les nanobrosses du Dr Zhong Lin Wang sont un autre exemple de récupérateur d'énergie piézoélectrique. ^{[ 7 ]} Elles peuvent être intégrées aux vêtements. Une conception soignée est nécessaire pour minimiser l'inconfort de l'utilisateur. Ces sources de récupération d'énergie, par association, ont un impact sur le corps. Le projet Vibration Energy Scavenging ^{[ 8 ]} est un autre projet mis en place pour tenter de récupérer l'énergie électrique des vibrations et des mouvements environnementaux.

L'utilisation de matériaux piézoélectriques pour récupérer de l'énergie est déjà répandue. Ces matériaux ont la capacité de transformer l'énergie de contrainte mécanique en charge électrique. Des éléments piézoélectriques sont intégrés dans les passerelles ^{[ 9 ] [ 10 ]} pour récupérer l'énergie des pas. Ils peuvent également être intégrés dans les sacs à dos ^{[ 11 ]} et les chaussures ^{[ 12 ]} pour récupérer l'énergie de la marche.

pyroélectrique

L'effet pyroélectrique convertit une variation de température en courant ou tension électrique. Il est analogue à l'effet piézoélectrique, un autre type de comportement ferroélectrique. Comme la piézoélectricité, la pyroélectricité nécessite des entrées variables dans le temps et présente une faible puissance de sortie dans les applications de récupération d'énergie. L'un des principaux avantages des matériaux pyroélectriques par rapport aux matériaux thermoélectriques est que de nombreux matériaux pyroélectriques sont stables jusqu'à 1 200 °C ou plus, ce qui permet de récupérer de l'énergie à partir de sources à haute température et d'accroître ainsi l'efficacité thermodynamique. Un dispositif de récupération pyroélectrique, récemment introduit, ne nécessite cependant pas d'entrées variables dans le temps. Ce dispositif de récupération d'énergie utilise le champ électrique dépolarisant des bords d'un pyroélectrique chauffé pour convertir l'énergie thermique en énergie mécanique au lieu de prélever du courant sur deux plaques fixées aux faces cristallines. De plus, les étages de ce nouveau moteur thermique pyroélectrique peuvent être montés en cascade afin d'améliorer le rendement de Carnot. ^{[ 13 ]}

Thermoélectriques

En 1821, Thomas Johann Seebeck découvrit qu'un gradient thermique formé entre deux conducteurs dissemblables produisait une tension. Au cœur de l'effet thermoélectrique réside le fait qu'un gradient de température dans un matériau conducteur entraîne un flux de chaleur, ce qui entraîne la diffusion de porteurs de charge. Le flux de porteurs de charge entre les régions chaudes et froides crée à son tour une différence de tension. En 1834, Jean Charles Athanase Peltier découvrit que le passage d'un courant électrique à la jonction de deux conducteurs dissemblables pouvait, selon le sens du courant, provoquer un effet de chauffage ou de refroidissement. La chaleur absorbée ou produite est proportionnelle au courant, et la constante de proportionnalité est appelée coefficient Peltier. Aujourd'hui, grâce à la connaissance des effets Seebeck et Peltier, les matériaux thermoélectriques peuvent être utilisés comme éléments chauffants, refroidisseurs et générateurs (TEG).

Les matériaux thermoélectriques idéaux présentent un coefficient Seebeck élevé, une conductivité électrique élevée et une faible conductivité thermique. Une faible conductivité thermique est nécessaire pour maintenir un gradient thermique élevé à la jonction. Les modules thermoélectriques standard fabriqués aujourd'hui sont constitués de semi-conducteurs en tellurure de bismuth dopés P et N, pris en sandwich entre deux plaques de céramique métallisées. Ces plaques confèrent rigidité et isolation électrique au système. Les semi-conducteurs sont connectés électriquement en série et thermiquement en parallèle.

Des thermocouples miniatures ont été développés qui convertissent la chaleur corporelle en électricité et génèrent 40 μW à 3 V avec un gradient de température de 5 degrés, tandis qu'à l'autre extrémité de l'échelle, de grands thermocouples sont utilisés dans les batteries nucléaires RTG.

Des exemples pratiques sont le cardiofréquencemètre digital du Centre Holst et les thermogénérateurs de la Fraunhofer Gesellschaft. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

Avantages de la thermoélectricité :

1. L'absence de pièces mobiles permet un fonctionnement continu pendant de nombreuses années. Tellurex (une entreprise de production thermoélectrique) affirme que les thermoélectriques offrent plus de 100 000 heures de fonctionnement en régime permanent.
2. Les thermoélectriques ne contiennent aucun matériau qui doit être renouvelé.
3. Le chauffage et le refroidissement peuvent être inversés.

L'un des inconvénients de la conversion d'énergie thermoélectrique est son faible rendement (actuellement inférieur à 10 %). Le développement de matériaux capables de fonctionner à des gradients de température plus élevés et capables de conduire efficacement l'électricité sans conduire également la chaleur (ce qui était jusqu'à récemment considéré comme impossible) permettra d'améliorer le rendement.

Les travaux futurs dans le domaine de la thermoélectricité pourraient consister à convertir la chaleur perdue, comme celle produite par la combustion des moteurs automobiles, en électricité.

électromagnétique

Cette technique accumule de la puissance lorsque des aimants vibrants passent devant une bobine. Les systèmes de PMG Perpetuum, utilisés dans l'industrie pétrochimique, en sont un exemple. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

(capacitive)

Ce type de récupération d'énergie repose sur la variation de capacité des varactors dépendant des vibrations. Les vibrations séparent les plaques d'un varactor initialement chargé (condensateur variable), et l'énergie mécanique est convertie en énergie électrique. La batterie cinétique de puissance M2E est un exemple de récupérateur d'énergie électrostatique avec stockage d'énergie intégré . Le dispositif d'énergie intégré flexible (FIED) du CSIRO en est un autre exemple ^{[ 18 ].}

Récupération d'énergie liée à la glycémie

Une autre façon de récupérer de l'énergie est l'oxydation de la glycémie. Ces récupérateurs d'énergie sont appelés biopiles à combustible. Ils pourraient servir à alimenter des dispositifs électroniques implantés (par exemple, stimulateurs cardiaques, biocapteurs implantés pour diabétiques, dispositifs RFID actifs implantés, etc.). Le groupe Minteer de l'Université Saint-Louis a actuellement créé des enzymes qui pourraient être utilisées pour produire de l'énergie à partir de la glycémie. Cependant, ces enzymes devraient tout de même être remplacées après quelques années. ^{[ 19 ]}

métabolique des

Voltree a développé une méthode de récupération d'énergie des arbres. Ces récupérateurs d'énergie alimentent des capteurs à distance et des réseaux maillés, constituant ainsi la base d'un système de déploiement à long terme pour la surveillance des incendies de forêt et des conditions météorologiques en forêt. Leur site web indique que la durée de vie utile d'un tel dispositif ne devrait être limitée que par la durée de vie de l'arbre auquel il est fixé. Un petit réseau test a récemment été déployé dans un parc national américain. ^{[ 20 ]}

Orientations futures

Les polymères électroactifs (PAE) ont été proposés pour la récupération d'énergie. Ces polymères présentent une forte déformation, une densité d'énergie élastique et un rendement de conversion énergétique élevé. Le poids total des systèmes basés sur les PAE est estimé être nettement inférieur à celui des systèmes basés sur des matériaux piézoélectriques.

Les nanogénérateurs, comme celui fabriqué par Georgia Tech, pourraient fournir une nouvelle façon d'alimenter des appareils sans piles. ^{[ 21 ]} Bien qu'à l'heure actuelle (2008), il ne génère qu'une douzaine de nanowatts, ce qui est trop faible pour une quelconque application.

Voir aussi

• Pofvolrtal:Énergie
• Générateurs thermoélectriques automobiles
• EnOcéan
• Développement énergétique futur
• IEEE 802.15 Ultra Wideband (UWB)
• Liste des ressources énergétiques
• Liste des sujets liés à l'énergie
• Peltier
• Système de localisation en temps réel (RTL)
• Chargeur solaire
• Thermogénérateur
• Réseau de capteurs omniprésents
• Les véhicules aériens sans pilote peuvent être alimentés par la récupération d’énergie.
• Transfert d'énergie sans fil
• Moteur à air chaud thermoacoustique

Références

Liens externes

Revue générale

• Une comparaison des techniques de récupération d'énergie et des problèmes de stockage d'énergie associés
• Récupération d'énergie pour l'électronique mobile et sans fil
• La récupération de l'énergie ambiante rendra les appareils embarqués autonomes
• Actes des ateliers PowerMEMS
• Mise à jour quotidienne des derniers développements de l'industrie
• Centre de systèmes de matériaux de récupération d'énergie
• Récupération d'énergie pour un système de surveillance de la santé portable et auto-alimenté
• Journal de récupération d'énergie
• Livre blanc Sentilla : Récupération d'énergie

Mouvement/Vibration

• Récupération d'énergie à partir des mouvements humains et mécaniques pour les appareils électroniques sans fil

Piézoélectrique

• Tutoriel sur la céramique piézoélectrique
• Récupération d'énergie avec des composites à fibres céramiques piézoélectriques
• À la recherche du pouvoir
• Travaux piézo-thermoacoustiques chaleur->son->électricité par Symko dans l'Utah

Photovoltaïque

• Luque, Antonio. Manuel de science et d'ingénierie photovoltaïques c2003 John Wiley and Sons.
• Caractéristiques structurelles et photoélectrochimiques de l'électrode nanocristalline en ZnO avec éosine-Y

Thermocouple

• Développement de thermocouples céramiques à couches minces pour environnements à haute température
• Une introduction à la thermoélectricité

Vent

• Une nouvelle méthode de récupération d'énergie éolienne par vibration piézoélectrique pour les capteurs autonomes à faible consommation

Orientations futures

• Centre de matériaux et systèmes de récupération d'énergie
• [ Polymères électrostrictifs pour la récupération d'énergie mécanique ]
• Un duo du MIT découvre une « Crowd Farm » à l'initiative des citoyens le 25 juillet 2007
• Récupération d’énergie pour les futurs drones .
• Projet de balises actives en réseau pour la récupération d'énergie à l'Université Columbia