Elie Lefeuvre,
Centre de nanosciences et de nanotechnologies (C2N, CNRS/Université Paris-Sud)
Récupération de micro-énergies mécaniques : du transducteur à la gestion d’énergie
La variabilité de l’énergie ambiante amène à développer des systèmes mécaniques non-linéaires spécifiques, et son intermittence pose le problème du stockage. Les contraintes de miniaturisation favorisent l’usage de transducteurs de type piézoélectrique et électrostatique (capacité variable, électret, triboélectricité) plutôt que magnétodynamique. Les faibles courants et/ou tensions générés nécessitent des circuits d’interface dédiés. Enfin, le peu d’énergie disponible requiert des stratégies de gestion et d’optimisation particulièrement économes. Cet exposé a pour objectif de dresser un panorama des principaux défis auxquels fait face la récupération de micro-énergies mécaniques pour répondre aux besoins croissants d’applications médicales, industrielles et grand public.
Philippe Basset,
Électronique, systèmes de communications et microsystèmes (ESYCOM, CNRS/Université-Est Mane-La-Vallée/ESIEE-paris)
Apport de la triboélectricité dans la conversion électromécanique par transduction électrostatique
L’utilisation de la triboélectricité pour l’alimentation de capteurs autonomes a été introduite par le Pr Zhong Lin Wang de l’Université de Georgia Tech en 2011, suscitant de grands espoirs voir des fantasmes quant aux puissances récupérables. Si les TENGs ne sont pas les dispositifs miracles initialement annoncés, ils n’en sont pas moins extrêmement intéressants car ils permettent de constamment re-polariser la couche triboélectret par contact alors que celle-ci tend à se dépolariser avec le temps dans les dispositifs de récupération d’énergie à transduction électrostatique classiques.
Cet exposé présentera les spécificités des récupérateurs d’énergie triboélectrique ainsi que quelques systèmes remarquables à base de TENG.
Guylaine Poulin-Vittrant,
Matériaux, microélectronique, acoustique et nanotechnologies (GREMAN, CNRS/Université de Tours/INSA Centre Val de Loire)
Générateurs piézoélectriques flexibles à base de nanofils ZnO - état de l'art, enjeux et perspectives
Face à la demande croissante en capteurs autoalimentés dans le domaine médical, industriel ou des transports, puiser l’énergie dans l’environnement apparaît comme une solution prometteuse. Ainsi, une énergie mécanique inutilisée, voire parasite, peut être récupérée grâce aux matériaux piézoélectriques. Le projet FLEXIBLE a pour objectif la conception de générateurs à base de nanofils ZnO destinés à emmagasiner de l’énergie électrique dans des supercondensateurs qui alimenteront des capteurs basse consommation (de 1 à 100 microWatt). Les dernières avancées dans ce domaine seront présentées, du procédé de fabrication aux méthodes de caractérisation, en passant par les outils de modélisation.
Orphée Cugat,
Laboratoire de Génie électrique de Grenoble (G2eLab, CNRS/Grenoble INP/Université Grenoble Alpes)
Composite hybride piézo-magnétique pour récupération sans contact en rotation : Startup EnerBee
EnerBee développe un micro-générateur qui récupère l’énergie mécanique de mouvements, avec un couple résistant négligeable. L’innovation de rupture est un sandwich piézo-magnétique de matériaux actifs : du Terfenol collé à du PZT. Le magnétostrictif est soumis sans contact au champ magnétique d’un aimant en rotation à proximité ; en se déformant, il contraint le piézoélectrique qui génère des charges électriques moissonnées par un circuit ad hoc. Ce composite s’intègre aisément et produit 100 µJ par 1/4 de tour, même à très basse vitesse (un tour par heure !).
Romain Bachelet,
Institut des nanotechnologies de Lyon (INL, CNRS/Centrale Lyon/INSA Lyon/Université Claude Bernard/ESCPEL)
Pyroélectricité : alternative à la microthermoélectricité
Dans le contexte grandissant de l'internet des objets, dans une vision "More-than-Moore" de l'industrie microélectronique avec des dispositifs toujours plus compacts, la gestion d'énergie thermique est devenue cruciale. Moins connue que la thermoélectricité nécessitant une structuration et un gradient thermique, représentant un défi conséquent aux échelles micrométriques, la pyroélectricité, nécessitant seulement une variation temporelle de la température, sera présentée comme une alternative intéressante. Un tour d’horizons des avancées récentes dans le domaine sera effectué tant du point de vue matériau que système.
Olivier Bourgeois;
Institut Néel (CNRS)
Récupération d'énergie à petite échelle: ce qu'apporte la nanothermoélectricité
Avec l’émergence des protocoles de communications basse énergie dédiés à l’internet des objets, il existe une demande réelle de microsource autonome de puissance de l’ordre de la centaine de microWatt. Le but est de s’affranchir de l’utilisation de pile ou de batterie. Le travail présenté ici montre le développement d’un système de récupération d’énergie miniaturisé. Les dispositifs sont composés d’un réseau de microcapteur qui permettent la planarisation d’un module thermoélectrique. Les brevets CNRS développés dans ce cadre seront à terme valorisés par la start-up MOIZ en cours de création.
Inès Massiot,
Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes du CNRS (LAAS-CNRS, CNRS)
La cogénération photovoltaïque-thermoélectrique pour des cellules solaires à haut rendement de conversion
Un enjeu-clef du solaire photovoltaïque à haut rendement de conversion est de récupérer l’énergie du spectre solaire non utilisée dans la cellule. L’approche innovante présentée ici pour valoriser cette énergie perdue sous forme de chaleur repose sur la combinaison de la cellule photovoltaïque avec un générateur thermoélectrique. Nous présenterons une revue de l’état-de-l’art et des défis scientifiques associés à la réalisation de tels systèmes intégrés à haut rendement.
Abdelkader Zebda, Jean-Pierre Alcaraz, Thomas Soranzo, Marco Maccarini, Donald Martin, Philippe Cinquin,
Techniques de l'ingénierie médicale et de la complexité - informatique, mathématiques et applications, Grenoble (TIMC-IMAG, CNRS/Grenoble INP/Université Grenoble Alpes)
Des biopiles aux robots symbiotiques
La plupart des dispositifs médicaux sont conçus pour séparer soigneusement leur intérieur du corps humain : ils n’échangent avec ce dernier que des signaux électriques. La biopile à glucose que nous avons conçue tire son énergie du glucose et de l’oxygène naturellement présents dans le corps humain, qui évacue le résultat des réactions biochimiques nécessaires. Elle bénéficie donc de « services » du corps humain, auquel elle offre en retour des services, via les dispositifs médicaux qu’elle alimente. Il s’agit donc d’un dispositif symbiotique. C’est donc le premier exemple d’un dispositif symbiotique, et nous montrerons qu’il a ouvert la voie à plusieurs autres dispositifs symbiotiques originaux (modulateur de microbiote, capsule-robot à commande biochimique pour le prélèvement de liquide intestinal, etc.). Ce type de projets nécessite une équipe extrêmement interdisciplinaire, car la prise en compte des caractéristiques physiologiques de l’organisme cible est déterminante, et car il est nécessaire d’arbitrer entre des solutions intégrant des méthodes et outils de la biologie, de la biomécanique, du génie membranaire, ou encore de la robotique.
Christophe Lethien,
Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (IEMN, CNRS/ISEN Lille/Université Polytechnique Hauts-de-France/Centrale Lille/Université de Lille)
Miniaturisation du stockage électrochimique de l'énergie: vers la fabrication de micro-batteries performantes tout solide
La miniaturisation des objets connectés impose la fabrication de sources de stockage d’énergie de plus en plus petites. A ce titre, la fabrication de batteries miniatures tout solide (appelées micro-batteries) performantes est un challenge scientifique où la tendance est de passer d’une technologie planaire à une approche 3D pour exacerber leurs performances. Cette présentation synthétisera les dernières avancées effectuées dans le domaine des micro-batteries à ions lithium. Elle s’ouvrira vers d’autres technologies de batteries miniatures comme les systèmes métal-air.
David Pech,
Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes du CNRS (LAAS-CNRS, CNRS)
Micro-Supercondensateurs : enjeux et défis technologiques
Les micro-supercondensateurs constituent une alternative intéressante aux micro-batteries en raison de leur puissance élevée et de leur durée de vie importante. Cependant, bien qu’ils fassent l’objet d’un nombre important de travaux, ces dispositifs peinent encore à augmenter leur densité d’énergie. Cette présentation dresse un état de l’art et une analyse critique des performances des électrodes destinées aux micro-supercondensateurs pour les réseaux de capteurs communicants et l’Internet des Objets.
Christian Vollaire,
Laboratoire Ampère (CNRS/Centrale Lyon/Université Claude Bernard/INSA Lyon)
Vers l'autonomie énergétique des dispositifs électroniques communicants : récupération, transmission et focalisation d'énergie électromagnétique
Dans le contexte du développement de l’intelligence répartie des systèmes électroniques, ceux-ci apparaissent sans restriction sur leur localisation. Les applications visées sont diverses : nœuds de réseaux communicants, capteurs autonomes... Un des problèmes est alors leur alimentation. On peut difficilement penser que tous ces systèmes pourront être tous reliés par fils à un réseau d’énergie ou posséder des alimentations de type pile. L’objectif de ces travaux est de rendre énergétiquement autonome de tels systèmes en récupérant l’énergie électromagnétique ambiante ou en réalisant un transfert d’énergie par ondes électromagnétiques depuis une source en direction des systèmes à alimenter.
Pierre Gasnier
CEA-Leti
Circuits de gestion et techniques d'extraction efficaces pour la micro récupération d'énergie
Des thermo-éléments aux générateurs vibratoires, en passant par les cellules photovoltaïques, la puissance de sortie des récupérateurs d’énergie est rarement utilisable directement par le capteur communicant sans fil. Un étage de conversion d’énergie électrique, dit Power Management Circuit, est nécessaire pour adapter et convertir efficacement cette puissance brute inutilisable (tension alternative, <1V ou >> 3V) en puissance utilisable (3V DC), tout en ne consommant qu’une infime partie de la puissance disponible (Ultra Low Power). De plus, cet étage est essentiel pour optimiser le point de fonctionnement d'un récupérateur quel qu’il soit, et donc d’extraire le maximum de puissance électrique. Dans le contexte de la micro-conversion d’énergie (µW – mW) aux petites dimensions (mm – cm), un état de l’art international des architectures de conversion d‘énergie existantes sera présenté ainsi que les très récentes techniques d’extraction d’énergie qui optimiseront les capteurs autonomes de demain.
