Glanage d`énergie
publicité
Glanage d’énergie * Plan Pourquoi? Sources Dispositifs Emmagasinage de l’énergie glanée Introduction Capture et emmagasinage d’énergie contextuel Énergie renouvelable Circuits électriques autonomes en alimentation Plusieurs sources possibles – Solaire – Thermique – Éolienne – Gradients salins – Mouvement – Ondes radio Rendement faible en comparaison avec l’énergie fossile Importance • Réseaux de capteurs sans fil autonomes • Surveillance de conditions physiques et environnementales à distance Applications Bas taux de données, cycle de travail, consommation d’énergie Surveillance médicale et sanitaire Surveillance de structure Réseau corporel Réseaux de capteurs sans fil Immeubles intelligents Capteurs sans fil autonomes en énergie Surveillance médicale à distance Détection de substances dangereuses Contrôle d’énergie dans les immeubles Surveillance et sécurité Détection et suivi de mouvement Surveillance agricole Domotique Implants Surveillance de structure Fatigue métallique dans les avions, ponts, etc. Surveillance de patient à distance (chaleur corporelle) Surveillance de structure (motion) Glanage d’énergie comme source d’alimentation Glaneurs d’énergie Piézoélectrique Thermoélectrique Solaire Glaneurs d’énergie Source d’énergie Caractéristiques Efficacité Puissance glanée Lumière naturelle Intérieur 10~24% 100 mW/cm2 100 µW/cm2 Thermique corporelle Industrielle ~0.1% ~3% 60 µW/cm2 ~1‐10 mW/cm2 Vibration ~Hz–corporelle ~kHz–machines 25~50% ~4 µW/cm3 ~800 µW/cm3 RF GSM 900 MHz WiFi ~50% 0.1 µW/cm2 0.001 µW/cm2 Montre Seiko ~5uW 1uW 10uW RF (Holst centre) ~40uW 100uW EEG 2 canaux ~1mW 1mW Vibration (AdaptivEnergy) Elastomètre ~10mW ~800mW 10mW 100mW Solaire (BigBelly) ~40W 1W+ Glanage d’énergie mécanique Piézoélectrique Électrostatique Électromagnétique Overlap Area (A) • Vibration flexion de la poutre (stress) • Le matériau piézoélectrique convertit le stress mécanique en énergie électrique • Vibration motion de la masse mobile • La surface de chevauchement du peigne (A) modifie la capacitance (C) • La tension (V) change à charge constante (Q) A C 0 d Q = CV • Vibration déplacement du champ magnétique • Un courant circule dans la bobine fixe Sources piézoélectriques Matériaux, habituellement des cristaux, qui développent des charges électriques sous stress mécanique Utilisées pour convertir le mouvement en énergie électrique Efficacité de conversion ~ 90% Usages du glanage piézoélectrique Conversion de locomotion en énergie o Souliers Vêtements Montres Télécommandes Conversion de vibration o Passages publics Conversion de bruit acoustique o Usines Glanage d’énergie thermoélectrique • Conversion de différences de température en tension électrique • L’effet survient lorsque les extrémités opposées d’un matériau thermoélectrique sont soumises à des températures différentes • Diffusion de charges de l’extrémité chaude vers l’extrémité froide • Efficacité maximale ~10% Thermopiles ‐ thermally in parallel ‐ electrically in serial Modules de génération thermoélectroniques (TEG) Une paire p‐n forme un couple Où : N = nombre de couples α = coefficient de Seebeck d’un couple (V/K) ΔT = différence de température Q = flux thermique à travers un couple L= longueur des éléments p et n A = surface transversale du module k = Conductivité thermique du module ρ = Résistivité éclectique du module R = Résistance électrique du module couple module Usages du glanage thermoélectrique o Conversion de la chaleur de combustion en énergie électrique o o o Conversion des gradients de température corporelle o o Véhicules automobiles Avions électronique portable Alimentation de capteurs Glanage d’énergie photovoltaïque • Convertit l’énergie des photons par effet photovoltaïque dans les semi‐ conducteurs o Panneau de silicium amorphe, polycristallin et monocristallin • L’irradiance solaire est de 1000 w/m2 • Efficacité maximale ~16% Usages du glanage photoélectrique o o Conversion d’énergie solaire en énergie électrique Conversion de lumière de bureau ou domestique o o o Calculatrices électronique portable Alimentation de capteurs Gestion de l’alimentation Gestionnaire d’énergie glanée • • • • • Survolte/rectifie la tension générée Emmagasine l’énergie Alimente le MCU/Radio/etc. Avertit le MCU de la disponibilité de l’énergie Plusieurs systèmes sur puce disponibles de compagnies come TI, Maxim Integrated et Linear Technology Compromis à faire • • • • • • Tension de démarrage minimale Courant de repos Tension de charge minimale Dispositifs d’emmagasinage (pile/Condensateur) Sources d’énergie prises en charge Tension(s) et puissance de sortie Texas Instruments - BQ25504 • • • • • • Tension de démarrage : 330mV Tension de charge : 80 mV Courant de repos : <330nA (typical) Emmagasinage: pile, condensateur, supercondensateur Tension de sortie : 2.5V ‐ 5.25V Source d’énergie: solaire, TEG, piézo, etc..) LTC3108 & LTC3109 • Ultra‐Low Voltage Thermal or Solar Energy Harvesters • Use a resonant step‐up architecture • Designed for low resistance sources (0 – 5Ω Uni‐polar: Vin > 20mV Autopolarity: Vin > 30mV (or Uni‐polar: Vin>15mV) LTC3108 • • • • • • Tension de démarrage : 20mV Tension de charge : 20‐500 mV Courant de repos : 200 nA Emmagasinage: condensateur Tension de sortie : 2.35V, 3.3V, 4.1V or 5V Source d’énergie: TEG et solaire LTC3109 • • • • • • Tension de démarrage : +‐30mV Tension de charge : +‐ 30 +‐ 500 mV Courant de repos : 200 nA Emmagasinage: condensateur ou pile Tension de sortie : 2.35V, 3.3V, 4.1V or 5V Source d’énergie: TEG et solaire 5 LTC3108 Feature: 20mV Resonant Boost Topology LTC3108 Block Diagram Review Rectifier 20mV Vin Source 6 VOUT2: Switched VOUT • 20mV Operation or ~1deg dT if powered from a Peltier Effect Thermal Electric Generator (TEG or TEC) • LTC proprietary compound Depletion mode N‐Channel MOSFET makes extreme low voltage possible • Circuit Self‐oscillates, resonant circuit formed by Lmag and Cg • Built‐in Synchronous rectification improves Energy harvesting “yield” • 1:100 transformer is standard Coilcraft part (LPR‐6235), 6mm x 6mm x 3.5mm VOUT: Main Output Digital Vout Select Compact Step‐Up transformer Depletion Mode MOSFET VAUX: Intermediate Charge storage and IC bias supply VSTORE: Energy Reservoir 3mA LDO: uController power Charge Control and Prioritizer MAX17710 • • • • • • Tension de démarrage : 0.75 V Tension de charge : 0.75 ‐ 5.3 V Courant de repos : 625nA Emmagasinage: piles Tension de sortie : 1.8V, 2.3V, 3.3V Source d’énergie: toutes Emmagasinage de l’énergie glanée • Utilise des accumulateurs rechargeables Nécessité • Les sources ne sont pas toujours disponibles • • • • Solaire la nuit ou les temps très nuageux Piézoélectrique: période d’immobilité Thermoélectrique : températures stables Etc. Piles Li‐Ion/Li‐polymère • Fournissent 3v‐4v en général • Peuvent être de dimensions physiques réduites • Li‐Po sont fréquemment utilisées pour ratio élevé décharge/charge (> 99 % en comparaison à < 90 % pour Li‐ion) • Limitation : doivent être chargées avec précaution • Peuvent exploser! Piles en couches mince • Li‐Ion utilisant un électrolyte solide • Peuvent être utilisées à températures aussi basses que ‐40°C • Exemple: THINERGY Micro‐Energy Cells o o o Autodécharge quasiment nulle ~100,000 cycles de recharge Résistance interne faible permettant la charge avec une source de faible courant. Supercaps • Autre nom pour les condensateurs à couches doubles (EDLC) • Utilisés comme dispositif d’emmagasinage o o o Densité d’énergie >> que les condensateur normaux Capacitance supérieure de plusieurs ordres de magnitude à celle d’un condensateur conventionnel de taille similaire Opère seulement à basse tension (<3 v) • Densité d’énergie ~1/10 de celle d’une pile • Densité de puissance 10‐100 fois plus grande Options d’emmagasinage Li‐Ion Couche mince Super Cap Cycles de recharge centaines 5k‐10k Millions Autodécharge Modérée Négligeable Élevée Temps de charge Heures Minutes Sec‐Minutes SMT & soudure Pauvre‐Aucun Bon Pauvre Dimensions physiques Large petite Medium Capacité 0.3‐2500mAHr 12‐700uAHr 10‐100uAHr Impact environnemental Élevé Minime Minime
