Systèmes multisources de récupération d'énergie dans l'environnement humain : modélisation et optimisation du dimensionnement, Multisource systems for harvesting energy in the human environment : modeling and sizing optimization

Marianne Lossec

Description

Sous la direction de Bernard Multon, Hamid Ben Ahmed
Thèse soutenue le 07 juillet 2011: École normale supérieure de Cachan
Ces travaux s'inscrivent dans la problématique de l'alimentation autonome de systèmes électroniques communicants fondée sur la récupération de l'énergie disponible dans l'environnement humain. Cette thèse traite du dimensionnement d'un générateur multisource (thermique, photovoltaïque et cinétique) avec stockage d'énergie. Afin d'optimiser le dimensionnement d'un tel système dans un contexte de ressources paramétrables, des modèles génériques, adaptés à une large plage de dimensions, ont été établis, à partir de technologies déjà existantes, et validés expérimentalement. L'approche système a permis d'étudier les nombreux couplages multiphysiques existants et de mieux dimensionner le système. Ainsi, il a été montré qu'optimiser le rendement global de toute la chaîne de conversion d'énergie conduit à des solutions différentes de celles résultant d'une optimisation du dimensionnement de chaque organe pris séparément. Enfin, dans la dernière partie de cette thèse, une étude a été menée sur l'impact du profil de consommation sur le dimensionnement du système. Cette étude a permis, sur le cas particulier d'une application réelle, de mettre en évidence le potentiel d'une gestion d'énergie en cas de ressources faibles notamment par l'adaptation des profils de consommation.
-Récupération d'énergie ambiante
-Modélisation d'un générateur multisource
-Générateur micro-cinétique
-Générateur thermoélectrique
-Optimisation du dimensionnement
-Gestion de la consommation
This work deals with the problematic of self-powered communicating electronic systems based onenergy harvesting in the human environment. This thesis addresses the sizing of a multisource generator(thermal, photovoltaic and kinetic) with energy storage. To optimize the sizing of such a systemin the context of configurable resources, generic models, adapted to a wide range of dimensions, wereestablished from existing technology, and validated experimentally. The system-level approach wasused to study the many existing multiphysics couplings to better size the system. Thus, it was shownthat optimizing the global efficiency of the whole energy conversion chain leads to solutions differentfrom those resulting from sizing optimization of each component separately. Finally, in the latter partof this thesis, a study was conducted on the impact of load profil on the sizing of the system. Thisstudy, on the particular case of a real application, highlight the potential for energy management inthe case of poor ressources, notably by adapting the load profils.
-Energy harvesting
-Multisource generator modelling
-Micro-kinetic generator
-Thermoelectric generator
-Sizing optimization
-Demand-side management
Source: http://www.theses.fr/2011DENS0027/document

Informations

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• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 11 Mo

Extrait

◦ENSC-n ordre
THÈSE DEDOCTORAT
DE L’ÉCOLENORMALESUPÉRIEURE DECACHAN
pr"sent"epar
Marianne Lossec
pourobtenirlegradede
DOCTEUR DE L’ÉCOLENORMALESUPÉRIEURE DECACHAN
Sp"cialit":Électronique-Électrotechnique-Automatique
Syst mes multisources de r!cup!ration d’!nergie dans
l’environnement humain: mod!lisation et optimisation du
dimensionnement
Soutenuele07Juillet2011
Jury
OlivierSENTIEYS IRISALannion Pr"sidentduJury
J"r#meDELAMARE G2ElabGrenoble Rapporteur
BettyLEMAIRE-SEMAIL L2EPLille
St"phaneASTIER LAPLACEToulouse Examinateur
ChristopheGOUPIL CRISMATCaen
BernardMULTON SATIEBretagne Directeurdeth$se
HamidBENAHMED SATIE Co-directeurdeth$se
pr"par"eaulaboratoire SATIE(ENSCachansitedeBretagne,CNRS,UMR8029)
danslecadredel’"coleDoctorale Sciences Pratiques
61,avenueduPr"sidentWilson,94235CachanCedex(France)
tel-00618233, version 1 - 1 Sep 2011tel-00618233, version 1 - 1 Sep 20113
REMERCIEMENTS
Une thèse de doctorat est une première expérience professionnelle qui dure environ trois ans
et avant tout, une expérience personnelle où différents états d’âme accompagnent la vie du docto-
rant : joie, stress, fierté, fatigue, incertitude,agacement, enthousiasme, excitation, ... Il s’agit aussi
de l’aboutissement d’un premier travail de recherche, et ce travail de thèse n’aurait jamais existé
sans l’aide précieuse de mes deux encadrants, tous deux investigateurs de ces travaux. C’est pour-
quoijecommenceparremercierchaleureusementMessieursBernardMultonetHamidbenAhmed,
deuxpersonnesexceptionnellestantauniveauhumainqu’auniveauscientifique.Jesuisextrêmement
reconnaissante de la confiance qu’ils ont bien voulu m’accorder, du temps sans limite consacré à
échanger,mepermettantainsid’approfondirmontravailetd’enapprendretouslesjoursunpeuplus.
Enfin,jenepeuxquesoulignerlaqualitédeleurencadrement,leurdisponibilitépermanenteainsique
leuréternellebonnehumeurquicontribueàl’excellenteambiancedetravailquirègneàKerLann.
Je tiens ensuite à remercier vivement Madame Betty Lemaire-Semail et Monsieur Jérôme De-
lamare pour avoir accepté de rapporter cette thèse, ainsi que Messieurs Stephan Astier, Christophe
GoupiletOlivierSentieyspourleurparticipationaujuryd’évaluationdecestravaux.
J’adressemessincèresremerciementsauxdifférentespersonnes,quipardescollaborationseffi-
caces,m’ontpermisd’avancerdanscetravailpassionnant:YvesGuérinpourtouteslesinformations
qu’ilnousaaimablementfourniessurlesystèmeAutoquartz,ChristopheGoupilpoursonexpertise
dansledomainedelathermoélectricité,VincentLeCampournousavoirfournitouteslesinforma-
tionsnécessairesàl’étudedelacartePEGASE,OlivierSentieysetArnaudCarerpourleurcontribu-
tionautraversd’un«ProjetExploratoirePluridisciplinaire»(PEPS),financéparleCNRS,ainsique
lesautresparticipantsàcePEPS.Deplus,cetravailn’auraitpasétéaussirichesanslacontribution
denombreuxstagiaires,mercidoncàSébastienMoya,FlorentLeBourhisetCaroleFrédy.
J’aieulachancedebénéficieràl’antennedeBretagnedescompétenceseninformatiqueindus-
trielle de Dominique Miller, je le remercie donc pour son aide dans ce domaine qui, admettons le,
n’est pas vraiment mon fort. Un grand merci également à Sébastien Hamonic, qui a toujours fait
preuved’unegrandesympathieetd’unegrandedisponibilitéàmonégard.
Mesremerciementsvontaussiàtouslesdoctorantsquej’aipucôtoyerdurantcesannées.Jepense
enparticulieràYaëlThiauxetàJulienNavarrocontrelesquelsj’aipumedéfoulertouslesmidisen
jouantaupingpong.MerciégalementàBertrandSelva,moncobayedufaitdesesgrosbrasmusclés
surlesquelsj’aipuexpérimentermesmodulesthermoélectriques.Etpuis,j’adresseunremerciement
particulieràJudicaëlAubry,poursadisponibilité,soninvestissement,sesréponsesàmesnombreuses
questionsetsonaideprécieusetantauniveauscientifiquequepratiqueenmatièred’utilisationdelo-
giciels.J’airéellementappréciétravaillerfaceàlui,dansuneambiancedétendueetstudieuse;j’en
garderaiuntrèsbonsouvenir.JetienségalementàexprimermaplusvivesympathieàRémiPonche
etàPierreMuller.
tel-00618233, version 1 - 1 Sep 20114
Je souhaite de plus remercier tous les membres du laboratoire SATIE, en particulier ceux de
l’équipe SETE, pour leur amabilité et leur compétence. Il en est de même pour tout l’ensemble du
personnel de l’antennedeBretagnedel’ENSde Cachan.
Je remercie ma famille pour son soutien et en particulier mes parents qui ont eu tous les deux la
gentillesse et le courage de relire cette thèse. Ma mère la qualifiera même d’imbuvable, j’espère que
toutlemonden’aurapaslemêmeavis.J’enprofiteégalementpourremerciermesamis,pourm’avoir
permisdem’aérerl’espritnotammentavecnos apéritifs dinatoires hebdomadaires.
Enfin, une pensée particulière pour Fred, l’homme de ma vie. Merci pour ta présence, ton écoute
etsurtoutta tendresse.
tel-00618233, version 1 - 1 Sep 2011Table des matières
Table des matières 5
Introduction générale 9
1 État de l’art des ressources et des systèmes de récupération d’énergie ambiante, notam-
ment dans l’environnement humain 13
1.1 Lesressourcesénergétiques ambiantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.1.1 Lesressourcesmécaniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.1.1.1 Les ressources ducorps humain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.1.1.2 Les vibrations ambiantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.1.2 Lesressourcesthermiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.1.2.1 Lachaleurducorps humain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.1.2.2 Les sources dechaleurambiante . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.1.3 Lesressourcesélectromagnétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.1.3.1 La lumière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.1.3.2 Les rayonnements hyperfréquences . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2 Les différents principes de conversion des ressources ambiantes en électricité et leurs
applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.2.1 La génération électromécanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.2.1.1 Principes généraux de la conversion électromécanique . . . . . . . 18
1.2.1.2 Systèmes de conversion électromécanique . . . . . . . . . . . . . 19
1.2.1.2.1 Systèmes directs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2.1.2.2 indirects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.2 La génération thermoélectrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2.2.1 Principe et technologie d’un générateur thermoélectrique . . . . . 21
1.2.2.2 Applications de la génération thermoélectrique . . . . . . . . . . . 24
1.2.3 La génération photovoltaïque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.2.3.1 Principe et technologie d’un générateur photovoltaïque . . . . . . 25
1.2.3.2 Applications de la génération photovoltaïque . . . . . . . . . . . . 27
1.2.4 Énergie à partir des ondes radiofréquences . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.2.4.1 Principe de la récupération des hyperfréquences . . . . . . . . . . 27
1.2.4.2 Applications de la des h . . . . . . . . 28
1.2.5 Synthèse du potentiel de d’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.3 Problématique de la thèse et positionnement scientifique . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.3.1 Hybridation des ressources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.3.1.1 Etat de l’art de l’hybridation des ressources . . . . . . . . . . . . . 31
1.3.1.2 Positionnement de la thèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.3.2 Gestion de la consommation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.3.2.1 État de l’art de la gestion de la consommation . . . . . . . . . . . 34
1.3.2.2 Positionnement de la thèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5
tel-00618233, version 1 - 1 Sep 20116 TABLEDESMATIÈRES
2 Le g n rateur micro-cin tique Autoquartz : mod lisation pour le dimensionnement 37
2.1 FonctionnementdusystèmeAutoquartz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.1.1 Fonctionnementglobal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.1.2 Architecturedeconversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.1.2.1 Étage mécanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.1.2.2 Étage électromécanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.2 Modélisation électromécanique du système Autoquartz . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.2.1 Modélisation du mouvement de la masse oscillante . . . . . . . . . . . . . . 42
2.2.2 de la chaîne de conv