Recuperation dEnergie Biomecanique et Systemes

Autonomes

Sebastien Boisseau, Pierre Gasnier, Ghislain Despesse, Jerome Willemin,

Jean-Jacques Chaillout, Maxime Gallardo, Matthias Perez, Alexandre-Benoit

Duret, Sebastien Brulais, Stephanie Riche

To cite this version:

Sebastien Boisseau, Pierre Gasnier, Ghislain Despesse, Jerome Willemin, Jean-Jacques Chaill-out, et al.. Recuperation dEnergie Biomecanique et Systemes Autonomes. URSI - JourneesScientifiques 2014 - LHomme connecte, Mar 2014, France. 2014.

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Submitted on 26 Mar 2014

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Cet article a t prsent aux Journes Scientifiques 2014 de l'URSI sur le thme de l'Homme connect. La version diteur est disponible

cette adresse: http://webistem.com/ursi-f2014/output_directory/website/data/articles/000015.pdf

Pour citer:

S. Boisseau, P. Gasnier, G. Despesse, J. Willemin, JJ. Chaillout, M. Gallardo, M. Perez, AB. Duret, S. Brulais, S. Rich, "Rcupration

d'Energie Biomcanique et Systmes Autonomes", URSI Journes scientifiques 2014 L'Homme connect, pp. 41-48, 2014.

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LHOMME CONNECT

Rcupration d'Energie Biomcanique et Systmes Autonomes Biomechanical Energy Harvesting and Autonomous Systems

_______________________________________________________________________________ Sebastien Boisseau, Pierre Gasnier, Ghislain Despesse, Jerome Willemin, Jean-Jacques Chaillout, Maxime

Gallardo, Matthias Perez, Alexandre-Benoit Duret, Sbastien Brulais, Stphanie Rich

CEA-LETI, Minatec, 17 rue des Martyrs - 38054 Grenoble Cedex 9, France - sebastien.boisseau@cea.fr

Mots cls : Rcupration d'nergie, Capteurs autonomes communicants, Energie biomcanique Energy Harvesting,

Autonomous Wireless Sensor Networks, Biomechanical Energy

Introduction

La rcupration d'nergie (Energy Harvesting) est une thmatique en plein essor visant utiliser l'nergie

ambiante (lumire, vibrations, gradients thermiques) prsente dans l'environnement direct de dispositifs lectroniques

(capteurs, quipements mobiles) pour les alimenter, de faon prolonger leur dure de fonctionnement, voire les

rendre totalement autonomes. La rcupration d'nergie est gnralement mise en uvre pour alimenter de petits

systmes lectroniques tels que des capteurs autonomes communicants pour le transport, l'industrie ou l'habitat du fait

des puissances rcupres assez faibles [1]; applique au cas de l'Homme, la rcupration d'nergie peut atteindre des puissances de plusieurs milliwatts voire de plusieurs watts permettant d'alimenter des systmes plus complexes tels que

des lecteurs MP3, des tlphones portables ou des systmes de localisation GPS.

De nombreuses sources d'nergie prsentes dans l'environnement de l'Homme peuvent tre exploites: le soleil,

le gradient thermique entre la peau et l'extrieur, la dformation des vtements, les contraintes dans les chaussures .

Cet article se focalise plus particulirement sur la rcupration d'nergie mcanique issue du corps humain et prsente

des exemples de dispositifs et d'applications issus de l'tat de l'art montrant que la rcupration d'nergie est dj une

ralit; et qu'elle permettra sur le plus long terme d'alimenter des dispositifs placs directement l'intrieur du corps

humain tels que des implants mdicaux ou des pacemakers.

1 Rcupration d'nergie et Systmes autonomes 1.1 La rcupration d'nergie

Il faut tout d'abord diffrencier la rcupration de la production d'nergie (Figure 1a). On considre que la

rcupration dnergie consiste rcuprer une nergie qui naturellement serait perdue et non une nergie qui a

volontairement t produite pour cette finalit. L'ide consiste rcuprer une partie de lnergie perdue lors dun

mouvement, d'un dplacement, ou d'une action usuelle de lutilisateur. De plus, la rcupration dnergie doit tre, dans

lidal, compltement transparente du point de vue de l'utilisateur. Ainsi, une lampe dynamo ncessite une action

volontaire dactionnement dune manivelle/levier de la part de lutilisateur pour produire de lnergie alors qu'un

panneau solaire plac sur un sac dos sera un systme de rcupration d'nergie : l'nergie lumineuse serait perdue si

elle n'tait pas rcupre et, de plus, cette solution ne demande pas une action particulire de lutilisateur.

Quatre sources d'nergie ambiante peuvent tre exploites dans l'environnement de l'homme: l'nergie

mcanique (contraintes, vibrations, chocs, dformations), l'nergie thermique (gradients thermiques ou variations

temporelles de temprature), l'nergie radiante (radioactive, solaire, infra-rouge, radiofrquence) et l'nergie

biochimique (bio-pile avec combustible renouvel naturellement). La Figure 1b prsente des ordres de grandeurs des

puissances volumiques disponibles dans lenvironnement par type de source d'nergie. Ainsi, 100W 1mW par cm

de rcuprateur d'nergie est un bon ordre de grandeur; et, bien que cette puissance soit relativement faible, elle se

rvle tre suffisante pour de nombreuses applications.

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(a) (b) Figure 1. (a) Rcupration d'nergie vs Production d'nergie et (b) densit de puissance des sources ambiantes

1.2 Systmes autonomes, besoins nergtiques et application l'homme connect En fait, de nombreux dispositifs ne ncessitent que peu de puissance pour fonctionner, c'est par exemple le cas

des capteurs et des implants mdicaux qui peuvent tre aliments par quelques dizaines de W. Quant aux appareils

nomades tels que les tlphones, les lecteurs MP3 ils sont plutt dans la gamme 10mW-1W mais peuvent galement

tre rechargs par des systmes de rcupration d'nergie. De plus, la tendance est une rduction de la consommation

lectrique des dispositifs lectroniques nomades dans le but d'augmenter leur autonomie, ce qui fait que les puissances

prsentes dans le tableau 1 devraient baisser dans les prochaines annes, rendant tous ces dispositifs plus facilement

compatibles avec la rcupration d'nergie.

Tableau 1. Consommations lectriques de systmes lectroniques courants et implants

Systmes lectroniques Consommations moyennes Systmes lectroniques implants [2] Consommations moyennes [2] Lecteur MP3 50mW-70mW Implant auditif 145W-5.16mW

Rcepteur GPS 70mW Pompe mdicament 400W

Smartphones 0.5W-1W Neurostimulateur 50W

Acclromtre 3 axes 30W Stimulateur musculaire 1.3mW

Montre 1-5W Pacemaker 8W

Capteur de temprature 30W

Rcepteur RF 30mW-50mW

Emetteur RF 40mW-90mW

LED 1mW-10mW

Microcontrleur (actif) 1mW

Microcontrleur (standby) 3W

A noter que les puissances prsentes dans le tableau 1 supposent que le systme lectronique est aliment en

permanence. Il est galement possible d'adopter un mode de fonctionnement intermittent: le systme lectronique n'est

mis en route qu'une fois toutes les secondes, toutes les minutes voire plus, ce qui permet de faire chuter sa

consommation moyenne. Il suffit donc de stocker l'nergie rcupre, puis d'alimenter le systme lectronique ds que

le niveau d'nergie stocke est suffisant. Ainsi, thoriquement, tout dispositif peut tre aliment par la rcupration

d'nergie, la seule contrainte tant le temps d'attente entre deux squences de fonctionnement. Pratiquement, cette dure

ne doit pas dpasser 10-15 minutes pour que le rcuprateur d'nergie soit pertinent.

Dans le cas des capteurs autonomes communicants, un bon ordre de grandeur de l'nergie ncessaire pour faire

une mesure complte (mesure avec le capteur + traitement de l'information par un microcontrleur + envoi de

l'information par la puce RF) est comprise entre 50J et 500J (Figure 2a). Ainsi, mme avec un systme de

rcupration d'nergie ne rcuprant que 10W, le capteur autonome communicant peut fonctionner toutes les 10

secondes, ce qui est suffisant pour de nombreuses applications; avec 100W, ce temps de latence n'est plus que de 1s

(Figure 2b).

(a) (b) Figure 2. (a) Capteur autonome communicant et consommation, et (b) cycle de fonctionnement intermittent (i) stockage de l'nergie

tous les circuits lectroniques sont en veille, (ii) dmarrage du microcontrleur et interrogation du capteur, (iii) envoi de l'information

par RF et (iv) retour en mode veille, en attente d'un nouveau cycle

Decathlon

syssen

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L'tat de l'art regorge de dispositifs de rcupration d'nergie pour les applications nomades, pour les capteurs

autonomes et pour les implants mdicaux. Des dispositifs sont par ailleurs dj disponibles dans le commerce

(panneaux solaires, montres autonomes); une multitude d'autres sont tudis dans les laboratoires de recherche,

notamment en rcupration d'nergie thermique, mcanique ou biochimique.

Cet article se concentre plus particulirement sur les systmes de rcupration d'nergie mcanique issue de

l'Homme.

1.3 Energie mcanique et convertisseurs lectromcaniques 1.3.1 Sources d'nergie mcanique et potentiel de l'nergie biom