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Chronique sur la gestion d’énergie

Tony Armstrong
Directeur du marketing produits
Produits d’alimentation
Linear Technology Corporation

Le concept de collecte de l’énergie est dans l’air depuis une décennie, toutefois, la réalisation de systèmes alimentés par l’énergie ambiante dans un environnement réel est malcommode, complexe et coûteux. Néanmoins, les exemples où des marchés ont utilisé avec succès une approche de collecte d’énergie comprennent les infrastructures de transport, les équipements médicaux sans fil, la mesure de pression des pneus et les automatismes de bâtiment ou immotique.  Dans le cas particulier des systèmes immotiques, des éléments comme des détecteurs de présence, des thermostats et même des interrupteurs lumineux se sont affranchis des câbles d’alimentation ou de commandes normalement associés à leur installation et utilisent, à la place, des systèmes in situ de collecte d’énergie.

Une application clé des systèmes de collecte d’énergie concerne les capteurs radio dans les systèmes immotiques. Pour illustrer ceci, considérons l’explosion de l’utilisation de l’énergie aux Etats-Unis. Les immeubles sont les premiers utilisateurs d’énergie sur une base annuelle et représentent environ 38 % de la consommation totale d’énergie, suivis de près par les segments des transports et de l’industrie avec 28 % chacun. De plus, les immeubles peuvent être séparés en immeubles commerciaux et résidentiels, représentant respectivement 17 % et 21 % de la consommation totale d’énergie (38 % réunis). En outre, le chiffre de 21 % des immeubles résidentiels peut être encore fractionné, le chauffage, la ventilation et la climatisation (HVAC) représentant presque les trois quarts de ces 21 %. Avec la prévision d’un doublement de l’utilisation d’énergie entre 2003 et 2030, des économies d’énergie allant jusqu’à 30 % peuvent être réalisées en adoptant des systèmes immotiques (Source : Les perspectives pour la politique mondiale concernant l’énergie, la technologie et le climat – WETO – une étude réalisée par les équipes de recherche de l’Union Européenne).

De même, un réseau sans fil utilisant une technique de collecte d’énergie peut relier n’importe quel nombre de capteurs dans un immeuble pour réduire les coûts de chauffage, ventilation, climatisation et d’électricité, en ajustant la température ou en éteignant la lumière dans des zones non essentielles lorsque l’immeuble ou les pièces sont inoccupées. De plus, le coût de l’électronique de collecte d’énergie est souvent plus faible que celui de l’installation de câbles électriques d’alimentation ou de la maintenance de routine nécessaire pour remplacer les piles, aussi, on réalise vraiment une économie en adoptant une technique de collecte d’énergie.

Toutefois, beaucoup des avantages d’un réseau de capteurs sans fil disparaissent si chaque nœud a besoin de sa propre source d’alimentation externe. En dépit du fait que les développements en cours de la gestion d’alimentation ont permis aux circuits électroniques de fonctionner plus longtemps à partir d’une alimentation donnée, il y a des limitations et la collecte d’énergie fournit une approche complémentaire.
De ce fait, la collecte d’énergie est un moyen d’alimenter ou de compléter l’alimentation des nœuds de capteurs en convertissant l’énergie ambiante locale en énergie électrique utilisable.

Avec des nœuds complets de capteurs sans fil pouvant maintenant fonctionner de quelques centaines de microwatts à quelques dizaines de milliwatts, il est possible de les alimenter avec des sources non traditionnelles. Ceci a conduit à la collecte d’énergie qui fournit une alimentation pour charger, compléter ou remplacer des batteries dans des systèmes où des batteries ne conviennent pas, ne sont pas pratiques, ou sont coûteuses ou dangereuses.  Il y a vraiment des économies à faire sur la maintenance si le remplacement périodique des piles ou des batteries peut être porté de 2 ans à 5 ou 7 ans.

La configuration typique d’un nœud de capteurs sans fil (WSN) à collecte d’énergie comprend quatre blocs, comme l’illustre la figure 1. Ce sont : 1) une source d’énergie ambiante, 2) un élément transducteur et un  circuit de conversion d’énergie pour alimenter l’électronique en aval, 3) un composant capteur qui relie le nœud au monde réel et un composant de calcul, comportant un microprocesseur ou un microcontrôleur, qui traite les données de mesure et les stocke en mémoire, et 4) un composant de communication comprenant une radio à courte portée pour la communication sans fil avec les nœuds voisins et le monde extérieur.

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Les exemples de sources d’énergie ambiante comprennent un générateur thermoélectrique (TEG) ou thermopile, placé sur une source génératrice de chaleur comme un tuyau de chauffage ou de climatisation, ou un transducteur piézoélectrique fixé sur une source mécanique vibrante comme une vitre. Dans le cas d’une source de chaleur, un composant thermoélectrique compact (habituellement défini comme transducteur) peut convertir de faibles différences de températures en énergie électrique. Et dans le cas où il y a des vibrations mécaniques ou des contraintes, un composant piézoélectrique peut être utilisé pour les convertir en énergie électrique.

Une fois que l’énergie électrique est produite, elle peut être convertie par un circuit de collecte d’énergie sous une forme convenant à l’alimentation de l’électronique en aval. Ainsi, un microprocesseur peut réveiller un capteur pour effectuer une lecture ou une mesure, qui peut ensuite être traitée par un convertisseur analogique/numérique et transmise via un émetteur-récepteur radio de très faible puissance avec des niveaux d’émission typiques de 20 – 30 mA pendant une durée de 1 – 10 ms.

Les technologies de pointe et commerciales de collecte d’énergie, par exemple dans la collecte d’énergie des vibrations et des cellules photovoltaïques en intérieur, fournissent des puissances de l’ordre du milliwatt dans des conditions de fonctionnement habituelles. Bien que de telles puissances puissent apparaître limitées, le fonctionnement des éléments de collecte pendant de nombreuses années montre que ces technologies sont largement comparables aux batteries primaires de longue autonomie, à la fois en termes de disponibilité d’énergie et de coût par unité d’énergie fournie. De plus, les systèmes intégrant une collecte d’énergie peuvent habituellement se recharger après avoir été utilisés, contrairement aux systèmes alimentés par des batteries.

Source: zellercom.com