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Génération d'énergie à partir des ressources disponibles dans
l’environnement humain
SATIE UMR CNRS 8029 Ecole Normale Supérieure de CachanAntenne de Bretagne
Marianne Lossec, Bernard Multon, Hamid Ben Ahmed
M2R Mécatronique, le 1 Décembre 2010
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Plan de l’exposé
1 Les ressources énergétiques
2 Les différents principes de conversion et leurs applications
3 Etude d’un système de conversion mécatronique
Les ressources mécaniquesL’émission de chaleurLes rayonnements électromagnétiques
Conversion électromécaniqueConversion thermoélectriqueConversion photovoltaïqueConversion à partir d’onde électromagnétique
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Les ressources mécaniques
Les ressources du corps humainLes vibrations ambiantes
- Mouvements volontaires: pédaler, tourner une manivelle, tirer…
- Mouvements naturels: efforts sous les pieds, articulations, pendulations…
Starner, « Human-Powered Wearable Computing », 1996
1 calorie = 4,18 J
Mais rendement conversion énergie chimiqueen énergie mécanique environ de 25%
Puissance mécanique
150 W
400 W
40 W
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Les ressources mécaniques
Les ressources du corps humainLes vibrations ambiantes
-Vibrations mécaniques: machines tournantes, véhicules…caractérisées en fréquence et accélération
- Vibrations acoustiques: bruit ambiant
Densité de puissance: 200 μW/cm3
Bruit de 0dB (seuil d’audition): 1 pW/m2
Bruit de 100dB (marteau piqueur): 1 mW/m2
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L’émission de chaleur
L’émission de chaleur du corps humainL’émission de chaleur ambiante
La température du corps est régulée à environ 37°C
Si Tamb < Tpeau : flux de chaleur vers l’extérieur peau amb
Ph.(T T ) W / m²
S
Ordre de grandeur :dans l’air au repos : h 8 W/(m².°C), ainsi pour un écart de 15°C (ambiance à 22°C)
la peau nue dissipe 120 W/m² ou 12mW/cm²
Les vêtements limitent la puissance dissipée en réduisant le coefficient d’échange
- Machines thermodynamiques: réfrigérateur,…
- Pot d’échappement des voitures: gaz pouvant atteindre 700°C
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Les rayonnements électromagnétiques
Soleil: Puissance du rayonnement reçu sur Terre jusqu’à 1 kW/m² (soit 100 000 lux)
Soleil voilé : 500 W/m² ( 50 000 lux)
Ciel nuageux : 200 à 50 W/m² ( 20 000 à 5000 lux)
éclairages artificiels: 2 à 10 W/m² (200 à 1000 lux )
Lumière visible
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Les rayonnements électromagnétiques
Observations Univ. Liège 0,1 à 0,5 V/m (à 20 cm d’une borne wifi 50 mW)
Observations Cartoradio qq V/m à 10 V/mdans les zones de réception (en 900 et 1800 MHz)
Normes OMS (1999): (bande de fréquence 10 MHz-19GHz : pb d’échauffement des tissus) 4,5 à 9 W/m² (41 V/m et 58 V/m) à 900 et 1800 MHz Définition du DAS (Débit d’Absorption Spécifique) :
- 0,08 W/kg pour le corps entier- 2W/kg localement (10g de tissus)
Coefficient de sécurité différents suivant les pays.
Source : F. GALLEE Télécom Bretagne, mars 2009
Ondes radio
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Les rayonnements électromagnétiques
Ondes radio
Roosli, « Statistical Analysis of Personal Radiofrequency Electromagnetic Field Measurements With Nondetects », 2008
Répartition hebdomadaire: moyenne de 109 participants
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Mouvements (vibratoires, humains…)ChaleurLumière (solaire, artificielle)Ondes radio
Récupération (scavenging, harvesting)
Transducteur (convertisseur en électricité)
Conversion électronique de puissance (adaptation)et/ou stockage
Utilisation/gestion
Ressources énergétiques
Chaine de conversion d’énergie
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Chaine de conversion d’énergie
Ressource énergétique
continue,fluctuante,
intermittente
Transducteur(conversion en
énergie électrique)
T
Convertisseur électronique de puissance
C
Utilisationcontinue,
fluctuante, intermittente
Stockage
Le stockage permet :- de suppléer les intermittences de production- de découpler énergie et puissance (la puissance délivrée par l’accumulateur peut être supérieure à celle en sortie du convertisseur)
Nécessité d’une gestion d’énergie pour :- optimiser la récupération d’énergie- ne pas surcharger l’accumulateur et ne pas trop le décharger- optimiser éventuellement la consommation (mode veille, stratégies internes…)
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Plan de l’exposé
1 Les ressources énergétiques
2 Les différents principes de conversion et leurs applications
3 Etude d’un système de conversion mécatronique
Les ressources mécaniquesL’émission de chaleurLes rayonnements électromagnétiques
Conversion électromécaniqueConversion thermoélectriqueConversion photovoltaïqueConversion à partir d’onde électromagnétique
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Conversion électromécanique
La conversion piézoélectriqueLa conversion électromagnétique
La conversion électrostatique
Principe:
Exemple: Dynamo de vélo
Entrainement d’une génératricesuivant un mouvement mécanique simple
(translation ou rotation)
mouvements mécaniques quelconques
Arnold, « Review of microscale magnetic power generation. », 2007
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Conversion électromagnétiqueGénérateur linéaire (Laboratoire SATIE)
t)cos(ωXx(t) 0MMouvement de la hanche:
2
.L.ωm.XP max
3
0Mmax
avec XM=2.10-2m et f0=2Hz
Pmax 10mW
Boîtier solidaire de la hanche
L(t) Lo
++
h(t)
Sol
x(t)
hanche
k’
m
masselotte
k=2.k’
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Conversion électromagnétique
Chargeur à pied « Stepcharger » (Nissho)jusqu’à 6 W
Chargeurs divers, mouvements volontaires
Chargeur à main « Alladin Power » (Nissho)
1,6 W pour 90 cycles par minute
Chargeur à manivelleFreepaly45 secondes de remontage donnent 3 à 6 min d’appel
Chargeur souris verte (LSV Production)
À tirette et ressort de rappel, 1.5 W, 110g
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Conversion électromagnétique
Lampe "Lavrans Laading"
Nightstar flashlightÀ secouer, stockage dans condensateur30 secondes de secousses (à 3 Hz)-> 5 minutes de lumière intense puis 2 minutes de lumière plus faible
environ 390 g.
Stockage dans un ressort2 à 3 minutes d’éclairage
Lampes rechargeables
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Conversion électromécanique
La conversion piézoélectriqueLa conversion électromagnétique
La conversion électrostatique
Principe:
Polarisation électrique du matériau
Contrainte mécanique sur le matériaux
Les matériaux piézoélectriques:- Céramiques, par ex. zircotitanate de plomb (PZT), déformations de l’ordre de 0,1 %,coût relativement faible- Polymères, par ex. polyvinylidène difluoré (PVDF), adaptés aux grandes déformations et aux hautes fréquences
Exemple: Allume gaz
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Les matériaux piézoélectriques:
PZT
PVDF
Conversion piézoélectrique
J.A.Paradiso, M.Feldmeier, 1999, www.media.mit.edu
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Conversion piézoélectrique
Chaussures piezoélectrique avec convertisseur électronique, élément de stockage etémetteur radio 300MHz Rendement global : 17%
Talon: Pmoy=8.3mWDoigts de pied: Pmoy=1.3mW
J.A.Paradiso, M.Feldmeier, 1999, www.media.mit.edu
Chaussures piézoélectriques
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Conversion piézoélectrique
Impulsion de 15N 1 mJ pour V=3V transmission à 15m
Impulsion de 8N 100 μJ pour V=3.3V
Emetteur à bouton poussoir
J.A.Paradiso, M.Feldmeier, 1999, www.media.mit.edu
www.enocean.com
Télécommande sans pile (PTM100) Interrupteur sans fil (PTM100)
Pastille PZT, diamètre 5 mmÉpaisseur 15 mm
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Conversion piézoélectriqueSac à dos (Université deTechnologie du Michigan):Vmarche=3-4km/h P=45mW
Nanofils d’oxyde de zinc (Université de Georgie):
Discothèque (Rotterdam et Londres):Une personne P=20mW
P=8uW/cm2
Diamètre et la longueur des fils: de 1/5000 à 1/25ème fois le diamètre d'un cheveu humain
Difficile de récupérer une énergie impulsionnelle, haute tension, avec un bonrendement. Mais laboratoire LGEF: amélioration des rendements de 400%.
P<nW
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Conversion électromécanique
La conversion piézoélectriqueLa conversion électromagnétique
La conversion électrostatique
Principe:
Mouvements des électrodes de la capacité
mouvements mécaniques quelconques
21W CU
2
Q CU
21 QW
2 C
C f (d)
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Conversion électrostatique
6 à 8 W
Source : Amirtharajah Meninger 2000/2001 via Mitchenson et al IEEE 2008
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Plan de l’exposé
1 Les ressources énergétiques
2 Les différents principes de conversion et leurs applications
3 Etude d’un système de conversion mécatronique
Les ressources mécaniquesL’émission de chaleurLes rayonnements électromagnétiques
Conversion électromécaniqueConversion thermoélectriqueConversion photovoltaïqueConversion à partir d’onde électromagnétique
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Conversion thermoélectrique
Effet thermo-électrique (effet Seebeck) αΔTE
Thermocouple Module thermoélectrique
+
-
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Conversion thermoélectrique
Cellules de tellurure de bismuth 120 m x 120 mSeiko THERMIC
1998
Générateur : 22 W sous 0,3 VConvertisseur électronique élévateur à 1,5 V
Source : J. Stockholm, « Génération Thermoélectrique »,JEEA Cachan mars 2002.
Source : Leonov (IMEC), JRSE 2009
Alimentation d’un oxymètre communicant : conso 62 W,
capacité de génération 200 W,
stockage par supercondensateur 22 mF
Montre
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Conversion thermoélectriqueTechnologies basés sur les nanomatériaux (CEA-Liten):
Technologie au stade de prototype, tissucomposé de nylon dans lequel sonttissés des fils de deux alliages différents
Interrupteur sans fil, commandé par la chaleur de la main:
Vêtements « thermoélectriques »:
Un démonstrateurpour un systèmeARVA a été réalisé
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Plan de l’exposé
1 Les ressources énergétiques
2 Les différents principes de conversion et leurs applications
3 Etude d’un système de conversion mécatronique
Les ressources mécaniquesL’émission de chaleurLes rayonnements électromagnétiques
Conversion électromécaniqueConversion thermoélectriqueConversion photovoltaïqueConversion à partir d’onde électromagnétique
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Conversion photovoltaïque
Principe cellule PV
VpV
IpV
EPV EPV
Points de puissance maximale
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Conversion photovoltaïqueLes différentes technologies
Source : Reich et al., 21st European Photovoltaic Solar Energy Conf. 2006
Aux faibles éclairements(moins de 3 W/m² ou 300 lux) :
rendement aSi > rendement Si cristallin
- Silicium polycristallin et monocristallin ( : 12 à 16%)
- Silicium amorphe (aSi) rigide ou souple ( : 2 à 6%)
À 1000 W/m²Avec 16% de rendement : 160 W/m²
ou 16 mW/cm²
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Conversion photovoltaïque
Kit capteur communicant
(Source : Cymbet Corp)
Capteur autonomeDans 2,5 x 3,5 x 1mm :1 capteur PV 1 accumulateur lithium intégré (film mince, Cymbet)1 circuit électronique basse conso(microproc. ARM Cortex-M3) (Source : Univ. Michigan)
Montres
Accumulateur nécessaire6 mois d’autonomie possible
(Source : Citizen)
90 x 50 mm
Consommation d’une montre :< 1µA sous 1,5 V (1,5 µW)
Production PV avec 4%et surface de 3 cm² :
12 mW à 120 µW(11 s/jour à 18 min/j)
Faibles besoins d’énergie en faible éclairement : Si amorphe
Faibles encombrements, plus forts besoins : Si cristallin
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Plan de l’exposé
1 Les ressources énergétiques
2 Les différents principes de conversion et leurs applications
3 Etude d’un système de conversion mécatronique
Les ressources mécaniquesL’émission de chaleurLes rayonnements électromagnétiques
Conversion électromécaniqueConversion thermoélectriqueConversion photovoltaïqueConversion à partir d’onde électromagnétique
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Conversion à partir d’ondes EM
Nécessité: système de récupération d’énergie (antenne) ait une grande surface ou qu’il soit très proche de l’émetteur
Si champ électrique = 1V/m P=0,26μW/cm²Si champ électrique = 10V/m P=26μW/cm²
Source : Powercast
Atténuation variable avec la distance selon directionalité
Source : F. GALLEE Télécom Bretagne, mars 2009
Exemple antenne Wifi (2,45 GHz) 100 mW
0,3 W/cm²
Densité de puissance (W/m²):
E²/Z (Z 380 )
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Conversion à partir d’ondes EMConvertisseur d’énergie: Radiopile
Rendement proche de 80%, pour Pe=15dBm (30mW) et f=2.45MHz
Application: récupération des ondes TV (Intel Seattle) pour alimenter un capteur de température avec affichage LCD
- Système de récupération à 4.1km de l’antenne d’émission- Puissance de l’antenne d’émission: 960kW à 674-680MHz- Rendement de conversion RF/DC: 27%
Puissance récupérée:
P=60μW(0.1μW/cm2)
Source : Alexandre Douyère,Thèse 2008
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Conversion à partir d’ondes EM
Application typique: RFID: récupération de données à distance
http://www.trevise-consulting.com
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Synthèse
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Plan de l’exposé
1 Les ressources énergétiques
2 Les différents principes de conversion et leurs applications
3 Etude d’un système de conversion mécatronique
Les ressources mécaniquesL’émission de chaleurLes rayonnements électromagnétiques
Conversion électromécaniqueConversion thermoélectriqueConversion photovoltaïqueConversion à partir d’onde électromagnétique
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Générateur multisource
Contexte de l’étude:
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Générateur multisource
Travail de thèse:
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Le générateur cinétique
Fonctionnement global du générateur:
Mouvements masse oscillante Charge ressort solénoïdal
Décharge du ressort Rotation de la micro-génératrice
Redressement Energie électrique stockée dans un accumulateur tampon
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Cliquets + ressort
Fonctionnement des roues à cliquets:
Fonctionnement du ressort spiral:
Rôle: permettent au ressort de s’enrouler toujours dans le même sens
Roue à cliquet (sens horaire)
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Charge du ressort
Ressort spiralMasselotte
GénératriceMultiplicateur
Multiplicateur+ roues à cliquets
Quand est que le ressort se décharge?
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Fonctionnement de la Génératrice
Fonctionnement de la génératrice:
Interaction des aimants avec la denture statorique couple de détente Td
Structure à stator à griffes, monophasé, rotor à aimants, 7 paires de pôles
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Fonctionnement de la génératrice:
Interaction des aimants avec la denture statorique couple de détente Td
Structure à stator à griffes, monophasé, rotor à aimants, 7 paires de pôles
1 2
3 4
Fonctionnement de la Génératrice
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Fonctionnement de la génératrice:
Interaction des aimants avec la denture statorique couple de détente Td
Structure à stator à griffes, monophasé, rotor à aimants, 7 paires de pôles
1
2
3 4
Fonctionnement de la Génératrice
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Interaction ressort/génératrice
Charge du ressort, interaction ressort/génératrice
Quand TG>Td Décharge du ressort
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Modélisation
Modélisation sous Matlab Simulink
Modélisation de la masselotte
Modélisation de la chaine de conversion
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Equations du PFD
Principe fondamental de la dynamique (PFD): appliqué à la génératrice
Couple du ressort transmis sur l’arbre du rotor:
Couple de détente de la génératrice:
Couple électromagnétique de la génératrice:
Couple de frottement visqueux:
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Simulation d’une décharge à vide
Schéma bloc d’une décharge à vide:
Force électromotrice (fem):
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Simulation de l’essai du lâcher
Essai du lâcher:
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Débit sur bus continu (1/2)
Système Autoquartz connecté à un élément de stockage:
L’énergie récupérée dépend de la tension du bus continue dt
d bus bus
0
W V I dt
G busbus G bus G
G mos
G busG bus G
G mos
G bus
E VI si E V et E 0
R R
E Vsi E V et E 0
R R
0 si E V
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Débit sur bus continu (2/2)
Forme d’onde pour différentes tension Vbus:
Vbus=2V Vbus=4V Vbus=6V
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Stockage de l’énergie
Dans le cas d’un débit sur bus continu: accumulateur Lithium-ion
Ajout d’un convertisseur DC-DC:
Questions? Le gain en énergie est-il positif? Utilité d’ajouter un convertisseur?
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Redimensionnement
Raideur du ressort
Epaisseur dela masselotte
Dimension de la génératrice
Rapport demultiplication
Rapport demultiplication
Comment évolue les performances de la génératrice lors d’un changement
homothétique ?
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Loi d’échelle (1/6)
Accroissement homothétique de la dimension linéaire lG:
Couple de détente Td
Flux inducteur Φf
Résistance interne RG
Inertie du rotor JG
Coefficient de frottement visqueux fG
avec la force magnétomotrice tel que
ha
Sa
la perméance vue par l’aimant tel que
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Loi d’échelle (2/6)
Accroissement homothétique de la dimension linéaire lG:
Couple de détente Td
Flux inducteur Φf
Résistance interne RG
Inertie du rotor JG
Coefficient de frottement visqueux fG
Conservation du flux: Φ f= BeSe=BaSa avec Ba=Br+μaHa
Théorème d’Ampère: ∑H.l=nI=0 Haha+Hee+Hferlfer=0
Si accroissement homothétique: - Be constant
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Loi d’échelle (3/6)
Accroissement homothétique de la dimension linéaire lG:
Couple de détente Td
Flux inducteur Φf
Résistance interne RG
Inertie du rotor JG
Coefficient de frottement visqueux fG
Sb
lb Sb : surface de la fenêtre bobinable
lb : longueur de bobine
Scuivre = nScond
= kbSb, avec kb coefficient de remplissage
Si n spire, Scond
Scond : surface du conducteur
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Loi d’échelle (4/6)
Accroissement homothétique de la dimension linéaire lG:
Couple de détente Td
Flux inducteur Φf
Résistance interne RG
Inertie du rotor JG
Coefficient de frottement visqueux fG
Inertie d’un cylindre :
Si nombre de paire de pôles constant la masse active M α (l*G)3
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Loi d’échelle (5/6)
Accroissement homothétique de la dimension linéaire lG:
Couple de détente Td
Flux inducteur Φf
Résistance interne RG
Inertie du rotor JG
Coefficient de frottement visqueux fG
Origine: - pertes par courant de Foucault- pertes mécaniques
Pertes par courant de Foucault:eff
22
mag 1 p fer
dBP K ΔB f α V
dt
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Loi d’échelle (6/6)Résultat de simulation:
Energie d’une décharge en fonction du facteur d’échelle l*G
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Conclusion
Le travail de doctorant c’est quoi?
Lire des articles (bibliographie), être curieux, se renseigner sur les recherchesdes autres laboratoires
Réaliser des modèles, faire de l’expérimentation, simuler ces modèles, lesaméliorer
Interpréter des résultats d’optimisation, en dégager l’intérêt scientifique
Echanger avec d’autres scientifiques (encadrants, séminaires, conférences…)
Chercher l’erreur, faire travailler ses méninges
Apprendre tous les jours un peu plus, prendre du recul …..