Systèmes de récupération d`énergie pour l`alimentation de capteurs

Syst`emes de r´ecup´eration d’´energie pour l’alimentation
de capteurs autonomes pour l’a´eronautique
Paul Durand-Est`ebe
To cite this version:
Paul Durand-Est`ebe. Syst`emes de r´ecup´eration d’´energie pour l’alimentation de capteurs au-
tonomes pour l’a´eronautique. Micro et nanotechnologies/Micro´electronique. INSA de Toulouse,
2016. Fran¸cais.
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Submitted on 3 Mar 2017
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Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse (INSA de Toulouse)
Paul Durand-Estèbe
11 mai 2016
Systèmes de récupération d'énergie pour l'alimentation de capteurs
autonomes pour l'aéronautique
ED GEET : Composants et Systèmes de gestion de l'Énergie
LAAS - CNRS - Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (UPR 8001)
BASROUR Skandar Pr. Univ. Joseph Fourier, Grenoble - TIMA (Rapporteur)
DEJAN Vasic MdC Univ. Cergy-Pontoise - SATIE, ENS Cachan (Rapporteur)
ROY Langis Pr. Carleton University, Ottawa (Examinateur)
FEAU Julien AIRBUS (Invité)
JUGE Sylvain ALTRAN (Invité)
BAFLEUR Marise Directrice de Recherche LAAS-CNRS
BOITIER Vincent MdC Univ. Paul Sabatier Toulouse III - LAAS-CNRS
DILHAC Jean-Marie Pr. INSA Toulouse - LAAS-CNRS

2
TABLE DES MATIERES
Introduction Générale ........................................................................................................................................................................ 5
La promesse des réseaux de capteurs sans fil .......................................................................................................................... 5
La récupération d’énergie, l’alimentation de l’électronique de demain .............................................................................. 6
L’aéronautique : un secteur d’innovation .................................................................................................................................. 7
1. Etat de l’art de l’alimentation des capteurs sans fil .......................................................................................................... 11
1.1. Réseau de capteurs sans fil .......................................................................................................................................... 11
1.1.1. Historique ............................................................................................................................................................. 12
1.1.2. Utilisation actuelle ............................................................................................................................................... 13
1.1.3. Autonomie énergétique ..................................................................................................................................... 15
1.2. Stockage de l’énergie .................................................................................................................................................... 16
1.2.1. Stockage électrochimique .................................................................................................................................. 17
1.2.2. Stockage électrostatique .................................................................................................................................... 20
1.3. Récupération d’énergie ................................................................................................................................................ 22
1.3.1. Cinétique ............................................................................................................................................................... 23
1.3.2. Photovoltaïque ..................................................................................................................................................... 27
1.3.3. Radiofréquence et Rectenna ............................................................................................................................. 28
1.3.4. Thermique ............................................................................................................................................................. 29
1.4. Architecture d’un circuit de récupération d’énergie ............................................................................................. 32
1.4.1. Etage d’entrée ....................................................................................................................................................... 32
1.4.1.3. Convertisseur DC/DC ....................................................................................................................................... 34
1.1.1. Stockage ................................................................................................................................................................. 36
1.4.2. Etage de sortie...................................................................................................................................................... 37
1.4.3. Composants de protection................................................................................................................................ 38
1.5. Problématique aéronautique et cas réels ................................................................................................................. 38
1.5.1. Conclusion sur la récupération d’énergie comme alimentation d’un réseau de capteur sans fil ........ 38
1.5.2. Application à l’aéronautique .............................................................................................................................. 38
1.5.3. Etude de la récupération d’énergie dans l’aéronautique à travers deux cas concrets .......................... 40
2. Premier cas d’étude : récupérateur photovoltaïque pour une instrumentation d’essais en vol ............................. 42
2.1. Principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque .................................................................................... 42
2.1.1. Effet photovoltaïque et jonction PN ................................................................................................................ 42
2.1.2. Comportement d’un panneau photovoltaïque .............................................................................................. 44
2.1.3. Performances d’un panneau solaire ................................................................................................................. 46
2.1.4. Différentes Technologies Photovoltaïques ..................................................................................................... 48
2.1.4.1. 1ère génération : modules massifs en silicium ................................................................................................. 49

3
2.1.4.2. 2ème génération : couches minces ..................................................................................................................... 50
2.1.5. Utilisation du photovoltaïque pour l’alimentation de capteurs sans fil .................................................... 54
2.2. Récupérateur photovoltaïque pour une instrumentation d’essais en vol .......................................................... 55
2.2.1. Présentation du projet et du cahier des charges .......................................................................................... 55
2.2.2. Choix des panneaux Photovoltaïques ............................................................................................................. 56
2.2.3. Choix des supercondensateurs ........................................................................................................................ 59
2.2.4. Conception du circuit de récupération .......................................................................................................... 64
2.2.5. Essais finaux .......................................................................................................................................................... 78
2.2.6. Améliorations du système de récupération photovoltaïque ...................................................................... 84
2.3. Conclusion ...................................................................................................................................................................... 93
3. Deuxième cas d’étude : récupérateur thermoélectrique pour la surveillance de structure aéronautique .......... 96
3.1. Physique de la thermoélectricité et modèles d’un module thermoélectrique ................................................. 96
3.1.1. Effet Thermoélectrique ...................................................................................................................................... 96
3.1.2. Modélisation d’un module thermogénérateur ............................................................................................ 100
3.1.2.1. Modèle simple ................................................................................................................................................... 100
3.1.2.2. Limites du modèle simplifié ............................................................................................................................ 101
3.1.3. Conclusion sur la modélisation par générateur de Thévenin.................................................................. 103
3.2. Convertisseurs thermoélectriques ......................................................................................................................... 104
3.2.1. Technologies des modules thermogénérateurs ......................................................................................... 104
3.2.2. Dissipateurs thermiques .................................................................................................................................. 107
3.2.3. Convertisseurs DC/DC pour thermogénérateurs .................................................................................... 108
3.3. Cas d’application : le système HMEC pour l’alimentation de capteurs de SHM dans le projet Coralie .. 111
3.3.1. Présentation du contexte de l’étude ............................................................................................................ 111
3.3.2. Conception de l’ensemble mécanique du TEG. ......................................................................................... 117
3.3.3. Conception du circuit électronique de gestion du TEG .......................................................................... 128
3.4. Intégration au sol du système SHM ........................................................................................................................ 149
3.5. Installation dans le mât réacteur ............................................................................................................................. 151
3.6. Conclusion ................................................................................................................................................................... 152
Conclusion générale ...................................................................................................................................................................... 155
Liste de publications ...................................................................................................................................................................... 157
Bibliographie .................................................................................................................................................................................... 158