La récupération d'énergie peut activer 1 000 milliards de capteurs sans batterie dans l'IoT

Les dispositifs de détection sans fil IoT peuvent être placés sur, dans ou à proximité de personnes, d'équipements, d'infrastructures et de notre environnement. Cela nous donne de nouveaux outils pour relever les défis les plus urgents de notre monde du 21e siècle :du changement climatique à la garantie d'une énergie propre, d'une alimentation sûre et, avant tout, à la santé et au bien-être d'une population vieillissante. Cependant, pour y parvenir, nous devons combler le fossé de « l'alimentation de l'IoT ». Autrement dit, les solutions doivent fonctionner sur des batteries qui survivent aux appareils IoT qu'elles alimentent.

Cet article explore la contribution essentielle que les solutions alimentées par la récupération d'énergie (EH) peuvent apporter à l'IoT. Sur les billions de capteurs qui pourraient être déployés au cours des prochaines années, une grande majorité sera de la variété sans fil à ultra-basse puissance (ULP). Ce sont également les meilleurs candidats pour EH, qui peuvent soit compléter l'alimentation externe, soit servir de sources d'alimentation indépendantes.

L'approche que nous adoptons pour alimenter l'IoT est essentielle pour permettre à tant de technologies de changer notre monde chaque jour. Par exemple, les véhicules connectés et autonomes (CAV) dépendront d'une détection fiable et omniprésente avec une connectivité à bande passante élevée et faible, ce qui nécessite une densité de puissance accrue et une réduction de poids - deux choses que le capteur sans fil auto-alimenté prise en charge des réseaux.

Coût

Une valeur ajoutée majeure de l'EH est de fournir/compléter l'énergie du système au point de consommation en captant l'énergie ambiante dans l'environnement d'exploitation. La justification et le succès des implémentations EH, notamment en termes de coût total de possession, dépendent fortement de la méthode de calcul du retour sur investissement. Par exemple, ajouter 3 à 5 dollars à une nomenclature système pour les capacités EH peut sembler fou si on la compare à une pile bouton jetable coûtant environ 0,25 dollar en volume. Même en négligeant les facteurs environnementaux et de durabilité, il y a beaucoup à considérer dans l'analyse financière. Si cette batterie doit un jour être remplacée, les coûts de main-d'œuvre/de logistique d'accès peuvent à eux seuls anéantir les économies de pile bouton de plusieurs ordres de grandeur - Dieu nous en préserve si cette batterie se trouve dans un environnement difficile et/ou inaccessible, comme un mur de béton, haut plafond, corps humain ou puits de pétrole profond.

Énergie ambiante

EH consiste à utiliser les énergies ambiantes disponibles - chaleur, vibrations, lumière - pour les sources d'énergie. Il y a un point idéal, d'environ un microwatt à quelques centaines de microwatts, où il y a le "double impact" d'une consommation beaucoup moins importante sur la source d'alimentation existante et d'une viabilité accrue pour l'utilisation des énergies ambiantes provenant de moissonneuses de taille raisonnable. Cela peut augmenter considérablement la durée de vie de la batterie, conduisant même dans certains cas à une autonomie complète. (Ceci est abordé dans une publication récente de l'UE et illustré à la figure 1. ⁱ )

L'un des principaux défis posés par l'intégration de l'EH dans la conception du système concerne les sources d'énergie qui peuvent être de nature assez sporadique. Ils ont besoin de dispositifs/circuits de stockage d'énergie et de gestion de l'alimentation pour capter l'énergie et la rendre disponible pour une utilisation ultérieure. Non seulement des efforts d'ingénierie uniques doivent être faits pour traiter l'extraction d'énergie à partir du balayage ambiant, mais bon nombre de ces besoins peuvent être différents pour chaque méthode d'EH. En d'autres termes, la capture de l'énergie brute du transducteur EH et les besoins de conversion/gestion/régulation de puissance sont différents pour le photovoltaïque (PV) que pour les générateurs thermoélectriques (TEG) ou la récolte vibratoire. Même l'alimentation de différentes saveurs de cellules photovoltaïques peut varier considérablement en fonction de la technologie. L'approche générale a tendance à être guidée par la nature de l'énergie brute récoltée, qu'elle soit CC (PV, TEG) ou CA (vibratoire, triboélectrique, RF).

Les cellules PV convertissent directement l'énergie lumineuse du soleil et/ou des sources artificielles, tandis qu'un TEG extrait l'énergie d'un différentiel de température pour générer de l'énergie électrique. Les sources vibratoires (électrodynamiques ou piézoélectriques) et triboélectriques sont dérivées du mouvement physique. La capture RF implique généralement l'utilisation d'une antenne redresseuse (rectenna) et d'un réseau d'équilibrage, puis, comme il est courant, de l'alimenter dans un bloc de conversion DC/DC.

Une solution système optimale compatible EH peut nécessiter un suivi du point de puissance maximale (MPPT) et/ou une adaptation d'impédance soigneusement contrôlée pour réaliser pleinement son potentiel énergétique maximal. De plus, de nombreuses énergies ambiantes sont à des niveaux de puissance et de tension très bas. La plupart des circuits intégrés de gestion de l'alimentation (PMIC) commerciaux prêts à l'emploi (COTS) sont incapables de convertir des énergies inférieures à 10 μW et 100 mV en électricité utilisable. Un exemple d'efforts menés par la communauté de recherche pour résoudre ce problème est la plate-forme MISCHIEF en cours de développement par le Tyndall National Institute (Cork, Irlande). MISCHIEF est un PMIC innovant à haut rendement et à faible courant de repos capable de gérer une gamme sans précédent d'énergies ambiantes, en particulier dans le domaine inférieur à 10 μW qui étaient jusqu'alors inutilisables. Il est modulaire et hautement configurable, de sorte qu'il est facile d'ajouter de nouveaux blocs de circuit et/ou d'ajuster les plages de points de consigne. Il dispose également d'une interface numérique lui permettant d'interagir avec d'autres composants pour ajuster dynamiquement leur mode de fonctionnement (veille, veille, détection, transmission, traitement). Cela minimise leur consommation d'énergie tout en répondant aux besoins de l'application.

Le stockage d'énergie est essentiel pour les sources d'énergie intermittentes, car il fournit un tampon pour gérer la demande de pointe, de sorte que la source d'alimentation en amont n'a qu'à répondre aux besoins en régime permanent du système au lieu des demandes de puissance de pointe dans le pire des cas.

Créer un écosystème EH

Les contributeurs aux communautés Power IoT et EH - développeurs, fabricants de matériaux et d'appareils, ainsi que installateurs, intégrateurs et utilisateurs finaux - ont eu tendance à travailler dans des environnements cloisonnés. Cependant, pour qu'EH réussisse à avoir une pénétration majeure dans les applications grand public, les responsables des transducteurs EH devront travailler en étroite collaboration avec les responsables de la gestion de l'alimentation et du stockage de l'énergie, sans parler des nombreux autres fournisseurs de composants de système à faible consommation d'énergie et utilisateurs finaux. Cela est particulièrement vrai pour de nombreuses applications de type réseau de capteurs à faible consommation d'énergie sur lesquelles cet article se concentre.

Au Pouvoir .

Références :

je. https://www.enables-project.eu/wp-content/uploads/2021/02/EnABLES_ResearchInfrastructure_PositionPaper.pdf

ii. http://www.enerharv.com/

iii. https://www.psma.com/technical-forums/energy-harvesting

iv. M. Hayes et B. Zahnstecher, "Le cercle vertueux de la 5G, de l'IdO et de la récupération d'énergie", dans IEEE Power Electronics Magazine , vol. 8, non. 3 septembre 2021