micro ondes et économie d'énergie françois gallee telecom bretagne

25/03/2009

Micro-ondes & économie

d’énergie

Journée TIC & développement durable

26 mars 2009

François GALLEE

Département micro-ondes

Plan

� Introduction

� La récupération de l’énergie électromagnétique :

• Couplage magnétique

• Couplage électrique

� Intérêts et conclusion


Introduction

� Le rayonnement solaire:L'énergie solaire est l'énergie émise par le soleil sous forme d'ondes électromagnétiques (principalement entre 0,3 et 3 micromètres)

� Utilisation du même principe pour l’ onde radioOnde électromagnétique avec Freq < 3000GHz

Rayonnement solaire

Transfert de l’énergie aux atomes du silicium qui génèrent des électrons

Courant électrique

Onde radio Courant électrique

Génération d’un courant sur les fils


Différentes approches possibles vis à vis

du développement durable

� Utilisation de l’énergie déjà disponible dans l’environnement

• Solution la plus attractive car récupération d’une énergie actuellement perdue

� Génération de source radio-fréquence pour le transfert d’énergie

• Ne plus avoir besoin de câbles d’alimentation (cuivre), de piles….

Station de base GSM Émetteur FM


La récupération de l’énergie

électromagnétique

� Un large spectre de fréquence disponible

� Deux solutions pour la récupération de l’énergie :

• Par couplage magnétique

• Par couplage électrique


Couplage magnétique

� Avantages de la transmission d'énergie par induction magnétique

• Source de puissance bon marché• possibilité de traverser certains milieux matériels en fonction de la

fréquence de travail (125 kHz, 13.56 MHz ...)

� Contraintes liées à la transmission d'énergie par induction magnétique

• Distance de travail limitée• Antennes difficilement miniaturisables• Puissances d'émission limitées (dépend de la fréquence)



� Transfert d’énergie sans fil très courte distance « WITRICITY »

A 10cm de l’antenne : E=1400 V/m H= 8 A/mAu milieu des 2 antennes : E=210V/m H=1A/m

Norme ICNIRP (fréquence 10MHz)E=61 V/m H= 0.16 A/mE=28 V/m H= 0.073 A/m

Ampoule de 60W alimentée à 2m

norme ICNIRP non respectée



� Alimentation sans fil très courte distance

� Bilan sur le couplage magnétique

• Système non adapté à la récupération d’énergie dite « perdue »

• Système développé pour le transfert d’énergie d’un point à un autre sans câble sur une faible distance


Couplage électrique

� Avantages de la transmission d'énergie par faisceau micro-ondes

• Possibilité de miniaturisation• Distance de travail supérieure aux systèmes par induction magnétique• Antennes directionnelles ou non• Possibilité de transfert d'information associé à l'onde énergétique

� Contraintes liées à la transmission d'énergie par faisceau micro-ondes

• Sources de puissance onéreuses• Impossibilité de traverser certains milieux (eau, métal ...)



� « Rectenna » à 2.45GHz

• Tension de sortie de 3V

� En se référençant aux niveaux établis par l’ ICNIRP

30 mW

70 mW

Puissance

10mA61 V/mGrand public

25 mA137 V/mTravailleur

CourantChamp électrique

maximum

Norme



� Champ électrique disponible dans l’environnement

• Source : ANFR « cartoradio »

Champ électrique GSM: 2 V/mChamp électrique total: 2.4V/m

Puissance disponible ≈ qq mW soit un courant max de 1mA



� Application Indoor WIFI 2.45GHz : Puissance maximale rayonnée: 100mW (ANFR)

� Niveau de champ électrique relativement faible

� Répartition spatiale plus ou moins uniforme (la source d’énergie n’est pas focalisée dans une direction comme l’énergie solaire)

Problématique: Augmenter la surface de l’antenne tout en ayant un récepteur omnidirectionnel

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Distance (m)

E (V/m)

Évolution du champ électrique en fonction de la distance

à 2m: E= 1V/m


Rendement de conversion

� Redressement par un transistor HEMT avec une

antenne patch

PRF=6dBm PDC= 2mW

Le niveau de champ électrique nécessaire avec une antenne dipôle est d’environ 5V/m


Applications: RFID

� Radio Frequency Identification

Bande de fréquence:• 13.56MHz• 868MHz (Europe)• 915MHz (US)• 2.4GHz

•Sensibilité typique d’un tag à 868MHz : -10dBm•soit un niveau de champ électrique de 1.6V/m

PIRE=500mW (ANFR)

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

10,0

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Distance (m)

E (V/m)


Intérêts potentiels et conclusion

� Intérêts vis à vis du développement durable

• Alimentation sans fil de puissance (utopique vis à vis de la santé)

• Alimentation de système très basse consommation (appareil en veille)

• Micro-capteur très faible consommation autonome (capteur de luminosité, de température)

� Conclusion

• Énergie disponible dans l’environnement pour l’alimentation d’appareils avec une consommation inférieure au mA

• Recherche active au niveau mondial

• La santé et l’énergie sont indissociables : lancement d’un appel à projet en mai 2009 AFSSET et ADEME

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