Produire de lProduire de lnergie nergie pour les appareils pour les appareils lectroniques portables lectroniques portables

grce aux ressources disponibles grce aux ressources disponibles dans ldans lenvironnement humainenvironnement humain

Bernard MULTON, Sylvie TURRI, Marie RUELLAN

Dominique MILLER, Hamid BEN AHMEDEcole Normale Suprieure de CachanAntenne de Bretagne

SATIE UMR CNRS 8029http://www.satie.ens-cachan.fr

AS n106 CNRS-STIC Conception faible consommation 4 mai 2004, Paris B. Multon et al.

Systmes lectriques ou lectroniques portables besoins en trs forte croissance contraintes dautonomie et/ou de recharge

Problmatique exploiter les ressources nergtiques prsentes dans

lenvironnement humain :Chaleur dgage par le corpsnergie mcanique issue des mouvements humainsLumire reueVibrations sonoresOndes lectromagntiques

Abiocor, cur artificiel

Des besoins et des ressources

convertir ces ressources (renouvelables) en lectricitpour alimenter directement un appareil ou charger un accumulateur tampon

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Plan- Ressources du corps humain- Autres ressources

- Principes de conversion en nergie lectrique et applications- thermo-lectrique- lectromagntique- pizolectrique- photovoltaque- partir de combustibles

- Analyse dtaille de la conversion dnergie dans un dispositif manivelle, ressort et conversion lectromagntique.

- Conception dun gnrateur lectromcanique fonctionnant partir de la marche

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Ressources nergtiques humainesChaleur mtabolique : 80 W au repos plus d1 kW en activit intense

Un cycliste entran peut atteindre 350 W mcanique en crte

Mais faible rendement de conversion mcanique :pour 200 W mcaniques, plus de 800 W de chaleur et de la fatigue

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Conversion dnergie chimique - mcanique

6O2 + C6 H12 O6 6CO2 + 6H2 O + 38 ATPConversion glucose -> ATP

Le vecteur dnergie intracellulaire est lATP (adnosine triphosphate)

Production dATP partir de substrats mtaboliques : cratine phosphate, glucides, lipides, protines

La dgradation du glucoseconsomme : 1 litre dO2 pour 5,05 kcal(21 kJ ou 5,8 Wh)

78%Wthermique

22%Wmcanique

Hydrolyse de lATP = contraction des muscles = conversion chimique mcanique

Hydrolyse de lATP

Rendement musculaire

Graisses, lipides (triglycrides ) :1 litre dO2 pour 4,7 kcal

Moyenne des substrats nergtiques : 1 litre dO2 pour 4,8 kcal ou 20 kJB. Multon et al. Franck MULTON et Paul DELAMARCHE, Lnergie chez lhomme , JEEA Cachan mars 2002

Conversion dnergie chimique - mcaniqueCas de la conversion glucide -> ATP

Relations Consommation doxygne (VO2)Frquence cardiaque

fonctions de la puissance mcanique produite

Un moyen de mesurer la puissance

Accroissement de 1 litre O2/min 20 kJ/mn soit 330 watts

et, avec 22% de rendement,70 watts mcaniques

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Human-Powered Wearable Computing - Starner 1996

Mouvements dun doigt 0.8 2 mW

(20 mW crte)

coeur 1 W

Souffler 0.4 W(1 W crte)

Respiration 0.4 W 0,8 W Mouvements

des bras 0.33 W(60 W crte)

Ecrasement despieds 5 8 W(67 W crte)

Evaluation de quelques unes des ressources mcaniques humaines

Travail du cur :1 J/battement, 1 pulsation/s

=> 1 watt mcanique

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Puissance mcanique lors dexercices physiques

Vlo :en promenade : Pmca = 75 Wen crte (cte) : Pmca_Max = 350 W

Puissance facilement

convertible

15 mn de pdalage = 1 heure de lumire (11 W)

Natation :en moyenne Pcal = 580 W, Pmca = 110 W

Marathon :en moyenne Pcal = 1100 W, Pmca = 220 W

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Emission de chaleur

La temprature du corps est rgule environ 37C.

Si Tamb < Tpeau : flux de chaleur vers lextrieur m/W)TT.(hSP

ambpeau =

Ordre de grandeur :dans lair au repos : h 8 W/(m.C), ainsi pour un cart de 15C (ambiance 22C), la peau dissipe 120 W/m ou 12mW/cm

Les vtements limitent la puissance dissipe en augmentant la temprature ambiante

Une partie de la chaleur du corps est change par la respiration et par transpiration (vaporation)

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Autres ressources nergtiques

- Rayonnements lectromagntiques

Lumire visible : soleil jusqu 1 kW/m (100 000 lux)clairages artificiels : 200 1000 lux (2 10 W/m)

10 000 lux sous lampeActivits humaines :

ondes herziennes (radio, TV, tlphones) limites dexposition (avec un coeff de scurit de 4) :

1 W/m 900 MHz (20 V/m) et 2,2 W/m 1,8 GHz (30 V/m)champs basses frquences ( proximit des systmes 50 Hz)

- Vibrations mcaniques ambiantes (bruit)

Seuil daudition : 1 pW/mBruit de 100 dB : 10 mW/m

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Energie embarque

- Carburants embarqus (renouvelables ou non)Avantage : densit dnergie leve,

environ 10 Wh/gramme, hors rservoircarburants liquides : facilit de conditionnement/stockage

- Air comprim embarqu Sous 200 bars, avec rservoir composite < 10 Wh/kg

- Electricit embarque Accumulateurs lectrochimiques 20 150 Wh/kg

Supercondensateurs 5 10 Wh/kg

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PRINCIPES, MOYENS ET APPLICATIONS de transformation des ressources primaires :

- chaleur et mouvements du corps humain- ressources ambiantes - carburants embarqus

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Rcupration de la chaleur mtabolique

Energie thermique : la plus difficile transformer en nergie lectrique :- machines thermodynamiques :

rendement trs faible pour de faibles carts de temprature

T.U =- effet thermo-lectrique (effet Seebeck) thermocouple

par ex. = 200 V/Krendement galement faible mais trs peu encombrant,sans mouvement (silencieux, fiable)

Rendement maximal : ( conductibilit thermique, rsistivit lectrique, coef. Thermolectrique)

Ex. : Z = 3,3 mK-1 (Tellurure de bismuth)

Avec T = 15C : Max = 2,5%, pour 1 cm de peau : 30 W maxi

2T

.

2

Max

=

=.

Z2

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Exemples de transducteur thermolectriqueEnOcean GmbH, 2002.www.enocean.com ( )

)RR1.(R

T.P

L

iL

2

+=

( )i

2

iLMax R.2T.)RR(P ==

Infineon, 2002. B. Multon et al.

Application : montres (consommation qq W et T qq C )

Cellules de tellurure de bismuth 120 m x 120 mSeiko THERMIC1998

Gnrateur : 22 W sous 0,3 V, un convertisseur lectronique accrot la tension 1,5 V

J. Stockholm, J. Stockholm, GGnration Thermolectriquenration Thermolectrique ,,JEEA Cachan mars 2002.

Citizen CTY66-03412001

1242 thermo-couples Tension : 515 mV/K puissance de sortie 13,8 W/K

JEEA Cachan mars 2002.

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Energie mcanique

Facile convertir en lectricit, bons rendements possibles :- gnrateurs lectromagntiques aimants- gn pizolectriques

Moteur de montre : 100 W < 10%

En grandes puissances : les rendements tendent vers 100%

En petites puissances, ils diminuent

Petit moteur de qq W > 50%

Couple

Rcupration dnergie du corps, principes de conversion pour obtenir de llectricit

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Exemple : montre automatique lectriqueSeiko KINETIC

Une masselotte (principe des montres automatiques )entrane, travers un multiplicateur de vitesse engrenages,un gnrateur lectromagntique aimants trs haute vitesse (qq 100 000 tr/mn).Lnergie est stocke dans un accumulateur,puis restitue llectronique de comptage et au moteur qui entrane les aiguilles

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Chargeurs divers

Chargeur main Alladin Power (Nissho)1,6 W pour 90 cycles par minute

Chargeur pdale (Windstream Power)Chargeur de batterie 12 V50 W avec les mains125 W avec les pieds

550 $

Chargeur pied Stepcharger (Nissho)jusqu 6 W

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Chargeurs de tlphone : en veille : qq 10 mW, en appel : qq W

Chargeur manivelleFreepaly45 secondes de remontage donnent 3 6 min dappel

Chargeur main enrouleur Nissho Engineering3 W pour 60 cycles par minute

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Chargeur Souris Verte (+ lampe de poche)http://www.lsvproduction.com/

tirette et ressort de rappel1,5 watts, 110 grammes

TiretteRessort de rappel

multiplicateurde vitesse

engrenages

Gnratrice aimants

Condensateur de stockage

LEDblanche

Circuit lectronique(puissance et contrle)

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Lampes rechargeables

ressort+

bobines

train dengrenage

gnratrice courant continu

lectronique du circuit audio

interrupteur de la radio

manivelle =

nergie humaine

ressort+

bobines

train dengrenage

gnratrice courant continu

lectronique du circuit audio

interrupteur de la radio

manivelle =

nergie humaine

ressort+

bobines

train dengrenage

gnratrice courant continu

lectronique du circuit audio

interrupteur de la radio

manivelle =

nergie humaine

FreepalyStockage ressort

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Nightstar flashlight secouer, stockage dans condensateur30 secondes de secousses ( 3 Hz)-> 5 minutes de lumire intense puis 2 minutes de lumire plus faible

environ 390 g.

Autres dispositifs

Voir rsultats de ltude dtaille plus loin.

Poste de radio FreepalyTri-sources, rechargeable par :- Manivelle (Stockage ressort)- Module photovoltaque- chargeur secteur

Gnrateurs pizolectriquesprobablement mieux adapts ces applications.

Clavier touches gnratricesCompaq 1999Brevet N US 5911529

touche

clavier

aimant

aimant

aimant

aimant

ressort

bobine bobine

bobine

touche

clavier

aimant

aimant

aimant

aimant

ressort

bobine bobine

bobine

Chaussures gnratricesMIT media lab.

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Dynamos vlosLa puissance moyenne de pdalage tant de 75 W, on peut prlever quelques watts pour lclairage sans crer une surcharge de travail excessive condition que le rendement soit bon !

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3 4,5 W sous 6V efficaces (alternatifs),

Gnratrice aimant bas de gammePas cher, rendement mdiocre 15 30%De 15 25 W mcaniques supplmentaire !Puissance maximale obtenue partir de 15 km/h

Conventionnelles : entranement par friction sur la jante ou le flanc du pneu

Rendement amliorGnratrice aimants hautes performancesRgulateur lectronique dcoupagePlus cher, excellent rendement > 90%Puissance maximale obtenue partir de 7,5 km/hAccumulateur intgr : 45 mn dautonomie.

Lightspin

Dynamos entranement direct dans le moyeu

Moyeu NABEN DYNAMO 6V 3W. Haut rendement faible vitesse (150 )

Moyeu Dynamo SHIMANO 6V 3W (50 )

Pdales clairantes

Bizmate, masse + 20 g,

La solution idale dans tous ces gnrateurs : une gnratrice aimants, sans balais et une lectronique de puissance et de contrle

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- effet pizolectriquebien adapt aux efforts levs

Matriau actuellement les mieux adapts : - cramiques, par ex. zircotitanate de plomb (PZT) dformations de lordre de 0,1 %- polymres, moins rigides, par ex. polyvinylidne difluor (PVDF)

Energie mcanique (suite)

PVDF

PZT

PARADISO J.A., FELDMEIER M.,www.media.mit.edu

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PARADISO J.A., FELDMEIER M., www.media.mit.eduExemples (MIT) : chaussures gnratrices

Encore difficile de rcuprer une nergie impulsionnelle, haute tension, avec un bon rendement

Convertisseur lectroniqueRendement global : 17%,

metteur pouton poussoirRendement : 7%, pour 2 mJ gnrs chaque pression. En sortie du convertisseur lectronique, il reste 0,5 mJ sous 3 V

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EnOcean :

Interrupteurs autonomes sans fils

Pastille PZT diam. 5 mmpaisseur 15 mmDformation qq microns sous 100 N

www.enocean.com

Tlcommande sans piles

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Conversion photovoltaque

Silicium amorphe 72 x 32 mm (2300 mm)Eclairement : 200 lux 1000 lux 200 W/m 1000 W/m

28A / 2V 140A / 2.5V 3.7mA / 3.2V 14mA / 3.5VPuissance : 56 W 350 W 12 mW 49 mWRendement : 1,2 % 2 %

Calculatrice (photo Solems)

Photopile de 3 4 cmFonctionnement direct sans accuqq A sous 1.5V Seuil dclairement env. 50 lux

Montres

Accumulateur ncessaire6 mois dautonomie possible

(photo Citizen)

Anne LABOURET, Cellules solaires quelle autonomie en nergie portable ? , JEEA, Cachan mars 2002 B. Multon et al.

Conversion photovoltaque

Silicium cristallin : meilleurs rendements (> 10%)

donc moins encombrants ou plus puissants, mais plus cher

Applications portables :

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Conversion partir de carburants

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Micro-moteurs thermiques (combustion externe : Stirling ou interne : explosion)

Moteur Wankel de Berkeley

Jrme DELAMARE, Orphe CUGAT, Micro sources dnergie thermo-mcaniques , JEEA 2002, Cachan

LEG/LETI

Gnrateur lectromagntique grande vitesse

Microturbine MIT

Conversion partir de carburantsMicro-piles combustibles (infos CEA)

Paul LUCCHESE (CEA), Piles combustible. Possibilits de miniaturisation , JEEA 2002, Cachan

Hydrogne Energie lectrique transformation directe

Possibilits de bon rendement lectrique : plus de 50%Compromis rendement densit de puissance (compacit chauffement)

Carburant (Mthanol)(CH3OH) Conversion directe

DMFC(Direct Methanol Fuel Cell)

Fuel Cell

Chaleur, eau

Chaleur, CO2

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Conversion partir de carburants

Paul LUCCHESE (CEA), Piles combustible. Possibilits de miniaturisation , JEEA 2002, Cachan

Mini-piles combustibles

Micro-piles (intgres) combustibles (infos CEA)

CEA

Hydrogneou

Mthanol

Air

Electrolyte

H+

H2

H2O

e-

e-

Catalyseur

Diffuseur

Catalyseur

Collecteurcathode

Collecteuranode

O2

Hydrogneou

Mthanol

Air

Electrolyte

H+

H2

H2O

e-

e-

Catalyseur

Diffuseur

Catalyseur

Collecteurcathode

Collecteuranode

O2

Ralisation CEA sur tranche silicium

DMFC Ballard 25 W DMFC Motorola 0,1 W

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Comparaison :- super-condensateurs : qq Wh/kg- accumul. lectrochimiques : 50 -> 150 Wh/kg (NiCd -> lithium polymre)

Stockage dnergie : gnralement indispensable :- si une continuit de la fourniture dnergie est requise

et que la source est fluctuante- pour assister la source dnergie

- volants dinertie (rasoirs) Wh/kg- ressort mcanique : 0,2 Wh/kg

- graisses : 10 kWh/kg, avec 22% de rendement mtabolique : 2,2 kWhmca/kg puis- carburants liquides : environ 10 kWh/kg (masse rservoir faible) - hydrogne : hors rservoir 30 kWh/kg, avec rservoir < 3 kWh/kg

En fait, le stockage permet un dcouplage nergie puissance.

B. Multon et al.

Analyse quantitative exprimentale d'un dispositif commercial

radio Freeplay

collaboration SATIELPBM Laboratoire de physiologie et de biomcanique de lexercice musculaire (Rennes)

B. Multon et al.

Analyse quantitative exprimentale d'un dispositif commercial(radio Freeplay) collab. SATIE LPBM Laboratoire de physiologie et de biomcanique de lexercice musculaire

Ressort

Train dengrenages

Gnrateur aimantsInstrumentationlectrique et mcanique

Objectif : analyser la conversion complte nergie humaine => lectricit

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Partie mcanique :

Manivelle et ressort :

Energie cumule

Couplemcanique

(bras de levier 7,5 cm)60 toursressort : 360 g, 220 Jenviron 0,17 Wh/kg

Remontage direct : 60 tr/mn

Droulement lent : 5 tr/mn

travers multiplicateur 3 trains dengrenages : m = 326

1 tr/s : 2,5 W 5,4 W

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Partie lectromcanique :

Courant gnratrice

Tension gnratrice

Energie lectrique produite par le gnrateur :sur un cycle 78 J

Du ressort la gnratrice : electromca 35%(65% gnrateur lectromagntique et 54% multiplicateur engrenages)

Couple en Nm

I(A) N/1000 (tr/min) U=3V

Couple en Nm

I(A) N/1000 (tr/min) U=3V

Gnratrice collecteur 3 Vdbit direct travers une diode srie,sur accumulateur NiCd

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Conversion lectrique : juste une diode et deux transistors pour arrter la dcharge de la batterie en dessous dun seuil

Energie batterie

Energiegnratrice

Energie batterie

Energiegnratrice

78 J

62 J

ener 79%

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Accumulateur lectrique :

NiCd : 2 lments 600 mAh

sous 2,4 V : cela donne environ 5200 J soit 60 remontages !

Une recharge complte (ventuellement sur secteur) confre 12 14 h d couteun remontage dune minute ( 1 tr/s) offre environ 1/4 h d coute(pour un droulement de 5 mn)

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Bilan nergtique global

Puissance mcanique

Chaleur dgage

HUMAIN

0,13 l/mn dO20,7 kcal/mn soit 50 Wcal

soit 10 Wmcaavec 20%

PuissanceMcanique

Rducteur

Pertes mcaniques

54%

Pertes mcaniquesJoulemagntiques

Gnrateur

65%

perteslectroniques

Convertisseur

79% batterie ?lectromca global : 28 %

Phase de transfert lectromcaniquePhase de recharge humaine

Puissance mca2,5 5,4 W

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Conception dun gnrateur portable fonctionnant partir

des mouvements naturels de la marche

collaboration SATIELPBM Laboratoire de physiologie et de biomcanique de lexercice musculaire (Rennes)

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Caractrisation des mouvements de la marche

Marche :- Amplitude cc : 4 cm- frquence : 2 Hz 1 pas/s

Course : maxi- amplitude : 10 cm- frquence : 5 Hz

Au niveau de la hanche :

La frquence des oscillation varie peu : 2 3 Hz

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Structure lectromcanique directe mouvement linaire oscillant

Botier solidaire

de la hanche

L(t) Lo

++

h(t)

Sol

x(t)

hanche

k

mmasselotte

k=2.k

Principe etmodlisation :

Objectifs : rendement, fiabilit, ergonomie

B. Multon et al.

B. Multon et al.

threshold/(dL/dt)max

A

v

e

r

a

g

e

p

o

w

e

r

(

m

W

)

A

v

e

r

a

g

e

p

o

w

e

r

(

m

W

)

=dt

)t(dL.)t(F

Loi optimale Force damortissement en fonction de la vitesse ?

Exemple : masse mobile 50 grammefrquence propre = 2 Hz;plage de mouvement = 8 cm

threshold/(dL/dt)max

A

v

e

r

a

g

e

p

o

w

e

r

(

m

W

)

dt)t(dL.)t(F = threshold

dtdL with

Diode rectifier + voltage source loadSame order of power

Convertisseur + charge= charge rsistive quivalente

Convertisseur + charge = adaptatif pour maximiser la rcupration de puissanceSystme mcanique = 2nd ordre

Il existe une valeur de (amortissement) optimale pour maximiser la rcupration de puissance :

Rcupration du maximum de puissance

Case

Hip

mFlyweight

Lmax

Very stiff spring

k

Lmax

Case

Hip

mFlyweight

Lmax

Very stiff spring

k

Lmax

2L..X.mP max

30M

max=

Maximum power is obtained when reaching stop spring limit

mk

0step == la pulsation propre (rsonance) : = .2FP Mmax

amplitude de la force dexcitation applique au systme

20MM .X.mF =

Lmax =2 cm

Lmax = 4 cm

A

v

e

r

a

g

e

p

o

w

e

r

(

m

W

)

max0M

opt L.X.m =

Points donnant opt pourmaximiser P(systme butes).

f0=3.5 Hz

f0=2 Hz

40 mW

Rsultats gnraux (simulations) :la frquence propre du systme (f0 ) ne doit pas ncessairement tre gale celle dexcitation (fstep )

Exemplem= 50 gdbattement 4 cm

La puissance crot avec la frquence

dexitation

At resonance, power depends on Walk, Mass, Clearance (Ergonomics Limits)and maximum power = stop spring limit Simple mode regulation

2L..X.mP max

3M

max=

maxM

opt L.X.m =v.F opt=

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Exemple de structure lectromagntique de gnrateur linaire :

spring

Core

Non-magnetic axis

slide

- masse mobile:empilage danneaux aimants radialement NdFeB sur

un cylindre ferromagntique

- stator solidaire du botier :circuit magntique (rduction des courants de Foucault)bobinage dinduit concentrique

bobinage dentrefer = effort de dtente minimal

z

= z..2sin.B)z(B gMg

Modle dinduction dentrefer sinusodale :

Structure axi-symtriqueB. Multon et al.

Speed

(EM depends on BgM, ls length of turns, nc coils, n turns, nl layers, coil type)

F.E.M. :

= z.2sin

dtdz)d,n,n(E)z,d,n,n(e Mc ll

mass speedf.e.m

Time (s)

mass speedf.e.m

Time (s)

Sinusoidal flyweight displacement

Force de Laplace :i = courant induit : i.e

dtdzf =

= z..2sin).z,d,n(i).z,n,n(E)z,d,n,n(f M ll

i(n,d,z)

ec(n,nl,d,z)

Rload

Rc(n,d)

Generator Converter +

Load

Charge rsistive :

loadccRR

ei +=[ ]

+= z..2sin.

dtdz.

)d,n(R)d,n(R)z,n,n(E)z(f 2

loadc

2M l

Fmax

B. Multon et al.

Fonctionnement optimal :

sinusoidal speed

Time (s)

Laplace force

mass speed

= z..2sin.

dtdz.F)z(f 2max vdt

dz =

F=.v dtdz.F

21)z(F max= .v

Les simulations valident le modle Laplace Force constante sur un pas :

V.F21)z(F max=valeur moyenne de la force :

21z..2sin

T1

T

0

2 =

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f0, la puissance dpend de la masse, du dbattement (encombrement)

2L..X.mP max

3M

max=

maxM

opt L.X.m =v.F opt=

Systme mcanique :

dtdz

dtdz.F

21)z(F max=Partie lectromagntique : Force de Laplace :

Electromagnetique Mcanique

maxM

maxopt L.X.mF.

21 ==

Pour maximiser la puissance :Pour maximiser la puissance :

( )i.RRe Loadcc +=i.e

i.R

c

2Load

elec =Performance nergtique :mecaLoad

elec PP=

LoadcLoad

elec RRR+=

Pertes magntiques et frottements mcaniques non considrs

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Force de LaplaceF = opt.v

McanismeSource nergie

humaine

Contraintes mca(Lmax, mmax)

Masse mobile

iSpeed (v)

chargeu

Gnrateur

Br, ,

Optimisation systme :

E

l

e

c

t

r

i

c

a

l

p

o

w

e

r

(

W

)

Time (one step period)

Exemple :

Marcheur : fstep=2Hz; amplitude excitation XM=4cmFlyweight: m= 50 g ; dbattement 4 cmSystme lectr. : 4 bobines; 10 couches; 37 tours ;

0.25 mm diamtre fil ;Rc=16 ; RLoad=3.9 k E = 25 V; I = 4.5 mA

opt

Pmca = 40 mWPlec = 39 mW

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CONCLUSION

- Nombreuses ressources dans lenvironnement humainlimites mais suffisantes pour de nombreuses applicationset gnralement renouvelables !

- Nombreuses solutions de conversion existantes mais le march na pas encore opr sa slection

- Recherches faire pour dvelopper des gnrateurs plus efficaces et mieux intgrs

- Ncessit absolue de minimiser encore plus la consommation des appareils portatifs

B. Multon et al.

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