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La récolte d’énergie est un concept fondamental en ingénierie. Récupérer l’énergie excédentaire, gaspillée ou disponible en vue de la valoriser et ainsi prolonger la durée de vie utile des sources d’énergie, c’est une idée des plus sensées. Dans le cas d’applications à grande échelle comme les transports, l’installation de matériel supplémentaire pour récolter la chaleur résiduelle peut augmenter de quelques pour cent (moins de dix) l’efficacité globale du système. Dans ce cas, l’analyse de rentabilité repose sur le nombre de véhicules et le bénéfice environnemental net positif de la conversion de la chaleur par rapport à son rejet dans l’atmosphère.

Dans le domaine de l’électronique, le rendement de conversion énergétique est tout aussi faible (10 %), ce qui limite l’utilisation des récupérateurs d’énergie aux applications à faible consommation. La contribution en énergie des microcontrôleurs (MCU) ultra-basse consommation limite la capacité des batteries pouvant être remplacées par la récupération d’énergie de l’ordre de 1 à 1 000 µW/cm². Cela dit, répondre au défi technique qui consiste à améliorer le rendement de la conversion d’énergie des solutions de récupération d’énergie par des systèmes électroniques permettrait néanmoins d’améliorer les performances de l’appareil et de prolonger la durée de vie de la batterie.

Il est essentiel de différencier la puissance maximale du rendement maximal. Bien qu’améliorer le rendement de la conversion a pour effet d’augmenter la puissance à énergie d’entrée identique, cette condition ne coïncide pas nécessairement avec la puissance la plus élevée. Voici quelques méthodes d’optimisation des récupérateurs d’énergie avec MCU à très faible consommation d’énergie en vue d’obtenir un rendement maximal.

Rendement solaire

Des exemples d’applications adaptées à la récolte d’énergie renouvelable par des systèmes électroniques sont la technologie des wearables (appareils à porter sur soi) et les réseaux autonomes (off-grid) de capteurs sans fil. Bien que ces technologies n’affichent pas un rendement très élevé dans la récupération d’énergie, la mesure importante consiste à comparer leur contribution en énergie avec une batterie équilibrée par rapport à leur coût. En ne considérant que les appareils auto-alimentés, les trois domaines de récupération de l’énergie solaire sont le rendement des cellules, de l’espace et des modules.

Le rendement d’une cellule se rapporte à une cellule unique dont la taille est déterminée par les ingénieurs en fonction de sa charge solaire prévue pour produire la puissance la plus élevée possible sur une cellule photovoltaïque donnée. Les ingénieurs optimisent le rapport puissance de sortie/surface unitaire pour augmenter l’efficacité. Le troisième domaine est le rendement du module, qui est calculé en tenant compte de l’ensemble du système. Le moyen le plus efficace d’améliorer le rendement de la récupération de l’énergie solaire est de se concentrer sur le rendement au niveau de la cellule. Il peut être porté à son maximum en utilisant des matériaux photovoltaïques sophistiqués. Même si augmenter le rendement du système se heurte parfois aux contraintes budgétaires, les ingénieurs peuvent opter pour le matériau de cellule le plus efficace en vue d’obtenir un différentiel de puissance plus élevé et par conséquent un rendement optimal pour une condition électrique donnée.

Rendement du mouvement

La très grande résistance des matériaux piézoélectriques limite l’accélération qu’ils peuvent supporter. Ce niveau définit la densité de puissance du matériau et détermine la limite supérieure de la puissance de sortie. La puissance de sortie maximale survient à la fréquence de résonance du matériau.

Ensuite, pour optimiser le rendement de la récupération d’énergie, il convient de garder en mémoire que rendement et puissance de sortie sont fortement corrélés à la fréquence. Le niveau de puissance de sortie étant induit par le matériau, l’élément piézoélectrique doit être conçu en tenant compte de la fréquence fondamentale. Le fait de régler la solution de récupération d’énergie piézoélectrique sur sa fréquence de résonance réduit à un minimum le risque d’interférence par des ondes susceptibles de détruire l’énergie disponible pour la récupération et permet par conséquent de porter la puissance de sortie et le rendement à leur maximum.

Rendement thermique

L’effet Seebeck, qui consiste à convertir directement la chaleur en électricité, est le principe directeur de la récolte d’énergie par système thermoélectrique. La thermodynamique implique que le rendement de la récolte d’énergie par un système thermoélectrique est le plus élevé dans des conditions où le différentiel de température est élevé. Ce gradient est le potentiel moteur du transfert d’énergie et permet de créer une solution à haute densité de puissance. Cependant, parvenir à un différentiel de température (∆T) significatif n’est pas une opération pratique, d’autant plus quand il s’agit de dispositifs de récupération de l’énergie humaine.

Lorsque le différentiel de température ne peut pas fournir une récupération d’énergie à haut rendement, d’autres leviers peuvent être actionnés pour augmenter le rendement, notamment la conversion de puissance et la conductivité thermique. Des matériaux plus épais transmettent plus d’énergie (conduction), tandis que la conversion à faible perte en énergie réduit l’inefficacité qui prévaut dans la conversion d’une forme d’énergie en une autre.

À retenir

La récolte d’énergie est une avancée significative dans la recherche de solutions de remplacement des batteries dans les applications à faible consommation d’énergie. Pour garantir un écosystème commercialement viable, vous devez maximiser l’efficacité des processus de récolte d’énergie afin de valoriser au mieux l’énergie source.

Les solutions actuelles de récolte d’énergie pour MCU à très faible consommation (ULP) permettent d’atteindre des rendements d’environ 10 %. Cette conversion de l’énergie inefficace rend la récupération d’énergie viable pour des applications ULP avec une consommation de l’ordre de dizaines de microwatts par centimètre carré. En comprenant les mécanismes de chaque méthode traditionnelle de récolte d’énergie par des systèmes électroniques, vous comprendrez également dans quelle mesure cette approche pourrait permettre à une application donnée de se passer totalement de batterie.