- Le concept de collecte d’énergie, ou en anglais « energy harvesting » propose d’exploiter diverses sources d’énergie ambiantes pour les convertir en énergie électrique via un transducteur approprié.
- Ainsi, pour fournir un courant électrique, un générateur thermoélectrique (TEG) mettra à profit un différentiel de température, un dispositif piézoélectrique tirera parti des vibrations, une cellule photovoltaïque profitera de la lumière du jour ou l’éclairage intérieur, et l’effet galvanique créera un courant électrique par réaction chimique d’oxydo-réduction.
- Ces sources d’énergie « gratuites » peuvent être utilisé pour alimenter de manière autonome des capteurs et autres circuits électroniques.
- Dans cet article, Analog Devices explique comment et pour quelles applications, les capteurs sans fil et autres objets connectés (IoT) peuvent tirer parti des dispositifs de collecte d’énergie afin de gagner en autonomie.
Auteur : Tony Armstrong, Directeur du Développement Commercial chez Analog Devices
Il semble que tout devienne plus vert aujourd’hui, alors que l’écologie a le vent en poupe. Le concept de collecte d’énergie, dit « energy harvesting » en anglais, existe depuis plus d’une décennie. Cependant, la mise en œuvre de systèmes alimentés par la seule énergie ambiante dans le monde réel s’est avérée délicate, complexe et coûteuse. Néanmoins, les infrastructures de transport, les dispositifs médicaux sans fil, la détection de pression des pneus, ou l’automatisation des bâtiments sont autant d’exemples où l’approche de la collecte d’énergie a été utilisée avec succès. Plus précisément, dans le cas des systèmes d’automatisation de bâtiments, certains éléments comme des détecteurs de présence, des thermostats et même des interrupteurs d’éclairage se passent aujourd’hui du câblage d’alimentation et de commande habituellement associé à leur installation, et font désormais appel à un mécanisme local de collecte d’énergie.
La construction de bâtiments intelligents capables de préserver l’énergie, qu’il s’agisse de structures commerciales ou résidentielles, est une condition préalable pour obtenir des structures efficaces au niveau énergétique, qui n’aient pas massivement recours aux sources d’énergie traditionnelles consommant des combustibles fossiles.
S’agissant de bâtiments commerciaux, les rendre intelligents peut être essentiel pour l’organisation qu’ils abritent, dans la mesure où un bâtiment efficace et rationalisé sur le plan énergétique contribue à réduire les coûts d’énergie, tout en proposant un environnement productif aux employés travaillant dans les bâtiments en question. Cependant, y parvenir ne se fait pas sans heurts. Par exemple, ces bâtiments nécessiteront une infrastructure capable de fournir le retour d’information nécessaire pour permettre un fonctionnement efficace des systèmes de chauffage et de climatisation, et des commandes d’éclairage, ainsi qu’une utilisation rationnelle des espaces. Cela nécessitera très probablement l’utilisation de l’Internet des objets (IoT) pour surveiller et piloter l’environnement, et cela augmentera la dépendance des bâtiments vis-à-vis de sources d’énergie alternatives, pour pouvoir être gérés et pilotés de manière efficace.
Tendances IoT pour les bâtiments intelligents
Les bâtiments intelligents vont transformer en permanence la façon dont les gens mènent leurs activités au quotidien. Par ailleurs, en plus d’économiser de l’énergie, les bâtiments intelligents vont permettre de réaliser des économies. Déjà, certaines tendances IoT en matière de bâtiments intelligents se profilent pour permettre cette transition.
Un bon exemple est la façon dont la maintenance prédictive utilisera des capteurs (IoT) et autres dispositifs matériels pour surveiller l’état d’un bâtiment commercial et de tous les équipements qu’il abrite. Ce retour d’informations permettra de planifier toute maintenance nécessaire au moment opportun et de manière efficace. Les imprévus survenant généralement dans le cadre d’un programme de maintenance préventive peuvent être surmontés en utilisant une approche de maintenance prédictive.
En outre, la productivité du personnel peut être affectée par la qualité de l’air. Des recherches menées dans ce domaine montrent que les personnes sont 10% plus efficaces au travail lorsqu’ils évoluent dans des bâtiments présentant une bonne qualité environnementale intérieure, par rapport à des bâtiments conventionnels. Là encore, des dispositifs IoT peuvent servir à mesurer et à contrôler la qualité de l’air, ainsi que les niveaux de dioxyde de carbone dans l’air, à l’aide de différents capteurs constituant un réseau maillé. Ces dispositifs sont connectés à tous les secteurs de l’infrastructure du bâtiment, et permettent ainsi de surveiller l’environnement et de maintenir toutes les personnes présentes en bonne santé et productives.
Une autre nouvelle tendance qui devrait se développer est l’utilisation d’applications basées sur l’IoT dans les bâtiments intelligents. Un bon exemple est l’utilisation d’imagerie thermique pour permettre aux gestionnaires d’installations de vérifier si un équipement sort de sa plage de température opérationnelle. Cela est facile à détecter, ce qui permet d’effectuer la maintenance avant que l’équipement ne cesse de fonctionner normalement. Par exemple, l’IoT va transformer la manière dont les gestionnaires d’installations commerciales sont en mesure de tracer les informations et de mesurer et collecter les données. Cela inclut les zones inaccessibles qui étaient jusqu’ici difficiles ou impossibles à atteindre. L’installation de capteurs dans différents secteurs du bâtiment permettra de tracer toutes les informations auxquelles on ne pouvait accéder auparavant. Des systèmes IoT interconnectés permettront aux gestionnaires d’installations d’avoir accès à toutes les informations pertinentes.
De plus, l’IoT permettra aux propriétaires commerciaux de disposer de bâtiments à consommation énergétique optimisée. Cela influencera la conception des bâtiments et permettra de mieux respecter l’environnement et d’utiliser les ressources de manière plus efficace. Qui plus est, ces systèmes de gestion de bâtiments intelligents peuvent être gérés à distance depuis n’importe où, ce qui permet de remplacer des équipements de construction lourds et obsolètes par des capteurs se déclenchant en cas de vibrations ou de variations de température, par exemple. Il est clair que cela permet d’économiser beaucoup d’énergie et de capitaux, tout en réduisant les coûts de maintenance.
Enfin, l’un des impacts les plus importants que l’IoT peut avoir sur les bâtiments est l’efficacité énergétique. Les réseaux de capteurs fournissent des informations qui permettent aux gestionnaires de mieux gérer leurs actifs, tout en réduisant les déchets nocifs pour l’environnement. Voici quelques exemples :
• Utilisation de capteurs pour la régulation de température
• Utilisation d’actionneurs pour les commandes de systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation (HVAC)
• Certaines applications complexes comme l’automatisation énergétique complète d’un bâtiment
• Prise en compte des prévisions météorologiques pour économiser des coûts énergétiques en temps réel
Nœuds à capteur sans fil : application clé pour la collecte d’énergie
Une application clé des systèmes de collecte d’énergie est la mise en place de capteurs radio au sein des systèmes d’automatisation de bâtiments. Aux États-Unis, les bâtiments sont les premiers consommateurs d’énergie sur une base annuelle, suivis de près par les secteurs des transports et de l’industrie.
Un réseau sans fil utilisant une technique de collecte d’énergie permet de relier un nombre illimité de capteurs au sein d’un bâtiment, afin de réduire les coûts de climatisation et d’électricité, en ajustant la température ou en éteignant les lumières dans certaines zones non essentielles, lorsque le bâtiment ou certaines pièces sont inoccupées. En outre, le coût de l’électronique de collecte d’énergie est souvent inférieur à celui des câbles d’alimentation, ou de l’entretien périodique nécessaire pour remplacer les batteries, de sorte qu’il est clairement intéressant sur un plan économique de recourir à une technique de collecte d’énergie.
Néanmoins, bon nombre des avantages d’un réseau de capteurs sans fil disparaissent si chaque nœud a besoin de sa propre alimentation externe. Même si les développements actuels en matière de gestion d’énergie permettent aux circuits électroniques de fonctionner plus longtemps à partir d’une réserve d’énergie donnée, il y a des limites à cela, et la collecte d’énergie constitue une piste complémentaire. Ainsi, la collecte d’énergie est un moyen d’alimenter les nœuds à capteur sans fil en convertissant l’énergie ambiante locale en énergie électrique utilisable.
Les sources d’énergie ambiante sont la lumière, les différences de température, les vibrations mécaniques, les signaux RF transmis, ou toute source susceptible de produire une charge électrique par l’intermédiaire d’un transducteur. Ces sources d’énergie sont tout autour de nous et elles peuvent être converties en énergie électrique en utilisant un transducteur approprié, comme un générateur thermoélectrique (TEG) pour un différentiel de température, un élément piézoélectrique pour des vibrations, une cellule photovoltaïque pour la lumière du jour (ou l’éclairage intérieur), et même de l’énergie galvanique pour de l’humidité. Ces sources d’énergie « gratuites » peuvent servir à alimenter de manière autonome des composants et des systèmes électroniques.
Etant donné que la totalité des nœuds à capteurs sans fil sont désormais capables de fonctionner avec une puissance moyenne de l’ordre du microwatt, on peut les alimenter à partir de sources non conventionnelles. Cela a conduit à la collecte d’énergie, qui fournit la puissance permettant de recharger, de compléter ou de remplacer les batteries dans les systèmes où leur utilisation est peu pratique voire impossible, coûteuse ou dangereuse. La collecte d’énergie permet aussi d’éliminer les câbles pour transporter l’énergie et transmettre les données.
Une configuration typique de collecte d’énergie ou de nœud à capteur sans fil (WSN pour Wireless Sensor Node) est composée de quatre blocs, comme illustré en Figure 1. Ce sont :
• Les sources d’énergie ambiante
• Un élément transducteur et un circuit de conversion d’énergie permettant d’alimenter l’électronique en aval
• Un composant de détection qui relie le nœud au monde physique, et un calculateur constitué d’un microprocesseur ou d’un microcontrôleur qui traite les mesures et les enregistre en mémoire
• Un composant de communication radio à courte portée assurant la communication sans fil avec les nœuds voisins et le monde extérieur.
Parmi les exemples de sources d’énergie ambiante, on peut citer des TEG (ou thermopiles) montés sur une source de chaleur comme l’un des conduits d’un système de chauffage ou de climatisation, ou un transducteur piézoélectrique fixé sur un élément mécanique sujet à des vibrations, comme une vitre. Dans le cas d’une source de chaleur, un dispositif thermoélectrique compact permet de convertir de petites différences de température en énergie électrique. Dans le cas de vibrations ou de contraintes mécaniques, un dispositif piézoélectrique peut être utilisé pour les convertir en énergie électrique.
Une fois l’énergie électrique produite, elle est convertie par un circuit et modifiée sous une forme appropriée pour alimenter l’électronique aval. Ainsi, un microprocesseur peut réveiller un capteur pour qu’il relève une valeur ou effectue une mesure, qui peut ensuite être traitée par un convertisseur analogique-numérique (CAN) avant d’être transmise à l’aide d’un émetteur-récepteur sans fil ultra basse consommation.
Bien sûr, l’énergie fournie par une source de collecte d’énergie dépend de la durée de fonctionnement de cette source. Par conséquent, la mesure principale pour comparer des sources d’énergie collectée est la densité de puissance, et non la densité d’énergie. La collecte d’énergie sous-entend souvent des niveaux d’énergie disponibles faibles, variables et imprévisibles. C’est pourquoi on utilise souvent une structure hybride qui assure l’interface entre le dispositif de collecte et un réservoir d’énergie secondaire. Le dispositif de collecte, du fait de son approvisionnement illimité en énergie et de son manque de puissance, est la source d’énergie du système. Le réservoir d’énergie secondaire, une batterie ou un condensateur, est capable de fournir une puissance de sortie supérieure mais ne peut stocker que peu d’énergie. Il fournit de l’énergie en cas de besoin, mais doit par ailleurs être régulièrement rechargé par le dispositif de collecte.
Ainsi, lorsqu’aucune énergie ambiante n’est disponible pour la collecte, le réservoir d’énergie secondaire est utilisé pour alimenter le nœud à capteur sans fil (WSN).
Pour réussir à concevoir un système de capteurs sans fil entièrement autonome, il faut disposer de microcontrôleurs et de transducteurs à faible consommation facilement accessibles, qui consomment un minimum d’énergie dans un environnement qui ne peut en fournir que très peu. La Figure 1 illustre comment ces blocs de collecte d’énergie sont mis en œuvre. Il s’agit généralement de configurations discrètes peu performantes, comprenant généralement une trentaine de composants voire plus. De tels circuits ont un faible rendement de conversion et présentent des courants de repos élevés. Ces déficiences se traduisent par de piètres performances au niveau du système final.
Malheureusement, un courant de repos élevé limite le rendement de la source de collecte d’énergie, puisque celle-ci doit d’abord dépasser le niveau de courant nécessaire à son propre fonctionnement avant de pouvoir fournir la moindre puissance en sortie. C’est là que l’offre produits Power by Linear™ (PbL) d’ADI apporte un véritable plus en matière de performance et de simplicité.
Exemple de collecte d’énergie
Le LTC3109 est à la fois un convertisseur continu-continu et un gestionnaire d’énergie très intégré. Il est capable de récolter et de gérer l’énergie excédentaire provenant de sources de très faible tension comme les TEG, les thermopiles, et même les petites cellules solaires. Sa topologie exclusive et unique à « auto-polarité » lui permet de fonctionner à partir de tensions d’entrée de seulement 30 mV, quelle que soit la polarité.
Le circuit en Figure 2 utilise deux transformateurs élévateurs compacts pour augmenter la tension d’entrée du LTC3109, qui fournit alors une solution complète de gestion d’énergie pour la détection sans fil et l’acquisition de données. Le dispositif peut récolter de l’énergie à partir de petites différences de température et générer l’énergie nécessaire au système, plutôt que d’utiliser de l’énergie fournie par une batterie traditionnelle.
La tension alternative produite au secondaire de chaque transformateur est amplifiée et redressée à l’aide du condensateur pompe de charge externe et des redresseurs internes du LTC3109. Ce circuit redresseur alimente en courant la broche VAUX, assurant la charge du condensateur externe, puis les autres sorties. Le régulateur LDO 2, 2 V interne permet de prendre en charge un processeur ou d’autres CI basse consommation.
