La récupération d'énergie dans les objets connectés

La récupération d'énergie dans les objets connectés

L'énergie environnementale qui existe dans un mouvement, une pression cinétique, la lumière ou la différence de température, est convertie en énergie pour alimenter des communications radio peu gourmandes en énergie. Mais générer de l’énergie n’est pas suffisant, il faut pouvoir l’exploiter et c’est là que les composants électroniques entrent en jeux.

L’Energy Harvesting, comment ça marche ? Quels sont les nouvelles technologies en lice ? Comment cela va-t-il simplifier notre quotidien, notamment pour la maison connectée ? Explications et bilan des dernières innovations techniques en la matière dans cet article.

 La génération d’énergie, plusieurs techniques

1- Les actionneurs mécaniques (type switch)

EnOcean fait figure de leader sur ce marché et propose des solutions packagées avec générateur + partie électronique + module radio. C’est une des solutions retenues au sein de notre filiale NodOn pour des produits comme la Soft remote. Le système est mécanique, la pression sur un bouton déclenche le mouvement d’une pièce au sein d’une bobine électrique. L’induction au sein de la bobine génère un tension électrique transformée en courant. L’énergie d’une simple pression est faible mais suffisante pour actionner des volets roulants, une porte de garage, allumer ou éteindre une lampe. Retrouvez cette technologie dans notre gamme de produits EnOcean : Soft remote, lecteur de carte, télécommande …

Dans le domaine des actionneurs mécanique on peut également citer :

  • ZF qui fabrique uniquement le switch mais propose également une solution toute faite avec la radio.

Sur l'image ci-dessus à gauche, la bobine (en jaune) et l’actionneur mécanique au-dessus (type bouton poussoir) qui va déplacer la pièce blanche située à droite de la bobine pour générer du courant par induction. A gauche la carte électronique RF qui assure la communication radio avec des produits connectés type lumières, volets, détecteurs, etc.

  • Et Enerbee qui a mis au point une solution générique plus recentrée sur le HVAC (Heating, Ventilation and Air-Conditioning, en français Chauffage, ventilation et climatisation). Le principe est le même : générer de l'énergie à partir de mouvements à faible vitesse et à faible force qui peut exister dans un aérateur/ventilateur par exemple.

Les mouvements de l’hélice sont convertis en énergie comprise entre 100 µW et 10 mW qui peut être directement utilisée pour alimenter, par exemple, un capteur ou un détecteur.

2- Les actionneurs solaires

Partout où il y a de la lumière, même à des niveaux bas de 200 lux ou moins, de minuscules cellules solaires peuvent exploiter cette source d'énergie pour une large gamme de capteurs sans pile. Cela inclut des capteurs de température, des capteurs de CO2, des capteurs de présence, des contacts de fenêtre à énergie solaire ou des capteurs d'humidité. Mais cela nécessite d’avoir un élément pour stocker l’énergie solaire emmagasiné. Chez NodOn, nous utilisons cette technologie dans nos capteurs de température et d’hygrométrie.

Sur l'image ci-dessus, la cellule solaire marron du capteur capte l’énergie. Placés dans différents endroits stratégiques d’un bâtiment, autonome et connecté entre eux par protocole EnOcean, ils remontent à la centrale domotique les différents points à contrôler. Une solution idéale pour contrôler les températures de vos pièces à vivre, l’humidité de votre salle de bain (et donc de déclencher automatiquement l’aérateur) ou l’hygrométrie de votre cave à vins !

3- Les actionneurs à Effet Peltier

L'effet Peltier correspond à un phénomène physique qualifié d'effet thermoélectrique. Il se manifeste par un déplacement de chaleur entre deux matériaux de natures différentes crée par la présence d'un courant électrique. Ce phénomène est réversible, c’est l'effet Seebeck. Schématiquement, si l’on place 2 matériaux cotes à cotes à des températures différentes une tension entre les plaques se créer et génère du courant donc de l’énergie. Cette technologie est utilisée dans les radiateurs thermostatiques.

Les générateurs thermiques Micropelt sont constitués de centaines de paires de branches thermoélectriques, qui génèrent de l’énergie

La Smart Valve du fabricant allemand PMDM fonctionne sans batterie ni alimentation électrique. Sa nouvelle vanne de chauffage électronique utilise la différence thermique entre le radiateur et la pièce afin d'extraire de l'énergie électrique à l'aide d'un générateur thermoélectrique (TEG) ; et pour la première fois, rend possible la construction d’un système mécanique dans lequel la consommation d'énergie est inférieure à celle de l'électronique… dixit le fabricant ;)

4- Les actionneurs à Piezo

« La piézoélectricité est la propriété que possèdent certains corps de se polariser électriquement sous l’action d’une contrainte mécanique et réciproquement de se déformer lorsqu’on leur applique un champ électrique. Cette technologie est utilisable en tant que générateur ou capteur. Cette technologie est développée par PI Ceramic qui utilise l'effet piézoélectrique direct par la déformation mécanique d'un piézo-cristal.

Les piézo-cristaux à déformation mécanique sont utilisés pour la surveillance de composants dans des systèmes complexes tels que les ailes d'avion. Les transducteurs piézo-électriques mesurent les déformations et fournissent également l'énergie aux émetteurs pour la transmission de données sans fil.

5- Les actionneurs RF à ondes électromagnétiques

Wiliot, une start-up israélienne développe cette technologie fortement prometteuse parce que basée sur la récupération d’énergie à partir des ondes électromagnétiques qui nous entourent. Et elles sont de plus en plus nombreuses ! Wiliot a imaginé une puce Bluetooth à durée de vie illimitée qui a la forme d’un petit autocollant. Grâce à sa levée de fond de 30M$, la société israélienne est en train de fabriquer une puce avec une puissance de traitement et des capteurs, à un coût qui devrait être bien moindre. Dans le viseur – la technologie iBeacon entre autre – celle utilisée dans les supermarchés qui tracke la position de votre caddies afin de vous envoyer le bon code promo au bon moment.

 

Le potentiel d’utilisation de ces puces nouvelle génération à bas coût est particulièrement attendu dans toutes les “supply chain” où le tracking d’objet, de palette, ou de colis est crutial. Ce qui explique qu’Amazon ait largement investi dans la strat-up lors de la dernière levée de fond…

Les composants capables d’exploiter l’énergie

Il ne suffit donc pas de créer de l’énergie, il faut encore la convertir en énergie exploitable. C’est là que les composants électroniques entrent en scène. On trouve aujourd’hui des composants spécialisés pour alimenter des circuits ou des batteries à partir de sources qui fournissent de toutes petites quantités d’énergie ou bien avec une tension/courant variable.

Par exemple les SPV1040 et SPV1050 de chez ST, un fabriquant généraliste Ou surtout chez Linear Technologie qui présente une large gamme de produits pour couvrir les différentes sources d’énergie à différents niveaux de puissance. Le LTC3588-1 intègre un pont à double alternance et à faibles pertes, avec un convertisseur buck haute efficacité, pour former une solution complète de récupération d'énergie optimisée pour des sources d’énergie types piézoélectriques, transducteurs solaires ou magnétiques. Ces circuits intégrés révolutionnaires ne consomment que de très faibles courants (en nano ampères) mais malgré tout fournissent une conversion de puissance à haut rendement avec un minimum de composants externes !

Les composants modernes utilisent un procédé qui permet d’optimiser le transfert de puissance délivré par la source (panneau solaire par exemple) : le Maximum Power Point Tracking (MPPT). L’objectif du système étant de récolter la puissance maximale d’une source d’électricité non linéaire. C’est le cas du convertisseur bq25504 à ultra-basse consommation avec gestion de la batterie pour des applications nécessitant des récupérateurs d'énergie.

 

Les solutions en matière de récupération d'énergie sont nombreuses et parfois complexes à mettre en œuvre si l’on veut tout faire soit même. Chez Altyor nous apportons la plus grande attention au choix des composants les mieux adaptés à l’usage final du produit. L’association du savoir-faire d’Altyor avec la technologie très basse consommation d’EnOcean permet de proposer des solutions packagées pertinentes pour un fonctionnement sans pile ni batterie.

C’est en observant les technologies et la démultiplication des protocoles, que NodOn a innové sur le marché avec sa solution 2.4Ghz.

Avec cette nouvelle plateforme multi protocoles 2.4GHz, NodOn apporte son expérience pour la partie métier (volet roulant, chauffage, éclairage …) et le client choisit ensuite le protocole radio qu’il souhaite utiliser entre Bluetooth Low Energy, Zigbee ou Thread, ces 3 protocoles fonctionnant sur la même plateforme Hardware.

 

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