Mouser: La récupération d’énergie accélère l’adoption de l’IoT

Chaque jour, les cas d’utilisation potentiels de l’IoT se multiplient. Grâce aux effets combinés de plusieurs avancées technologiques, telles que les microcontrôleurs ultra-basse consommation et l’apprentissage automatique basé sur la périphérie, la diversité des applications IoT s’élargit.

La disponibilité des réseaux étendus à basse consommation (LPWAN) permet aux capteurs d’émettre régulièrement des signaux depuis des sites distants sans avoir besoin d’une alimentation électrique. Ensemble, toutes ces avancées techniques éliminent les obstacles qui entravaient, par exemple, les cas d’utilisation de l’IoT dans l’agriculture intelligente. Le déploiement de capteurs d’humidité et de pH du sol alimentés par batterie dans des champs éloignés des lignes électriques et de la connectivité Wi-Fi devient simple et peu coûteux.

L’IoT sans fil
La mise en œuvre d’appareils IoT alimentés par batterie dans les villes intelligentes et pour les applications agricoles intelligentes, deux des nombreux cas d’utilisation de l’IoT, connaît une popularité croissante. Cependant, la capacité de la batterie détermine la durée de fonctionnement d’un appareil et dépend entièrement du profil de consommation électrique de l’appareil. Le coût de remplacement des batteries, en particulier dans les endroits éloignés, devient exceptionnellement élevé par rapport au coût de la batterie. Par conséquent, une durée de vie de la batterie inférieure à six mois, comme c’est le cas généralement, n’est pas viable.

Le fait de maintenir le microcontrôleur et l’émetteur-récepteur sans fil du capteur en mode veille prolongée aussi longtemps que possible prolonge la durée de vie de la batterie. En outre, le cycle de service de certains types de capteurs IoT peut être relativement faible. Par exemple, les relevés de l’humidité du sol en profondeur sont peu susceptibles de changer beaucoup en 30 minutes, de sorte qu’un relevé effectué toutes les demi-heures donne des indications raisonnables. À chaque cycle, le microcontrôleur de l’appareil se réactive, lit le capteur d’humidité et prépare les données pour la transmission. L’émetteur-récepteur doit ensuite établir une liaison avec le LPWAN et envoyer le paquet de données. Après une confirmation de réception, l’émetteur-récepteur et le microcontrôleur peuvent tous deux retourner en mode veille. La consommation d’énergie de l’appareil atteindra un pic nettement supérieur à celui du mode veille à un chiffre µA pendant l’établissement de la liaison et la transmission des données, pour atteindre peut-être une centaine de mA pendant de courtes périodes.

Les techniques judicieuses de gestion de l’alimentation permettent de conserver la capacité de la batterie, mais au bout du compte, celle-ci doit être remplacée ou rechargée.

Les technologies de récupération d’énergie
L’utilisation d’une batterie rechargeable est un choix prudent, mais comment la maintenir chargée ? Les panneaux solaires sont utilisés depuis longtemps pour charger les appareils extérieurs, mais ce n’est pas la seule méthode permettant de récupérer l’énergie de l’environnement. Les caractéristiques de faible consommation de nombreux capteurs IoT signifient que la capacité de la batterie et l’énergie nécessaire à la charge d’entretien de la batterie ne sont pas très importantes. La capacité de la batterie détermine également sa taille physique, il est donc également avantageux de la garder petite. Les nouvelles techniques de récupération d’énergie qui produisent des milliwatts et des microwatts d’énergie se révèlent être des alternatives viables.

Solaire : les panneaux solaires sont déjà largement utilisés comme une excellente source d’énergie pour de nombreuses applications extérieures ; ils offrent également la possibilité de récupérer la lumière ambiante en intérieur. À l’intérieur, l’énergie récupérée dépend fortement des sources de lumière disponibles, de leur température et de leur position. Par conséquent, la quantité d’énergie récupérée est moins prévisible et considérablement inférieure à celle des panneaux solaires extérieurs.

Vibration mécanique : de nombreux articles de recherche indiquent les différents types de récupération d’énergie à partir de mouvements mécaniques. Le mouvement peut se produire occasionnellement, comme des personnes marchant sur un pont, ou régulièrement, comme la vibration naturelle de la carcasse d’un moteur. Les capteurs d’énergie sont basés sur l’utilisation d’un élément piézoélectrique pour convertir les vibrations en énergie électrique et sur l’effet électromagnétique lorsqu’une bobine traverse un champ magnétique. Une autre approche utilise une méthode électrostatique basée sur l’induction capacitive. Les méthodes piézoélectriques et électromagnétiques semblent être les plus viables.

Vent et eau : ces méthodes utilisent la conversion de l’énergie cinétique du vent ou de l’eau en électricité. Dans les deux cas, une petite turbine peut générer de l’énergie électrique. La taille est une considération importante pour cette approche de récupération, de même que la sécurité des pales en rotation pour une éolienne. Cependant, l’énergie récupérée peut être plus que suffisante pour un petit capteur IoT malgré les limites pratiques.

Thermoélectrique : l’énergie électrique ainsi générée est basée sur le principe de l’effet Seebeck. La différence de température entre deux plaques isolées de matériaux semi-conducteurs est utilisée pour produire de l’électricité. Les modules thermoélectriques peuvent être combinés pour tirer pleinement parti des différences de température sous réserve des contraintes d’espace de l’appareil IoT. Plus la différence de température est importante, plus la quantité d’énergie produite est élevée ; toutefois, des difficultés pratiques peuvent survenir en fonction de l’application.

Radiofréquences : la récupération de l’énergie électromagnétique RF est un concept relativement récent. Avec l’omniprésence de la connectivité sans fil pour les données et la voix et les nombreuses stations de radio et de télévision terrestres, la possibilité de récupérer de l’énergie dans un large spectre radioélectrique semble très intéressante. La puissance disponible dépendra de l’emplacement, de la fréquence et des signaux appropriés, mais les fournisseurs de semi-conducteurs spécialisés se taillent un créneau avec les circuits intégrés déjà disponibles. La recherche sur la récupération d’énergie à partir des fréquences ISM, Wi-Fi et cellulaires donne des résultats prometteurs.

Récupérer l’énergie qui nous entoure
Avec des possibilités presque illimitées pour les applications basées sur l’IoT, fournir une source d’alimentation fiable reste une priorité. L’alimentation des appareils à l’aide d’une batterie rechargeable complétée par la récupération d’énergie à partir de sources d’énergie ambiantes offre une solution pratique. Pour certaines applications, la batterie peut être complétée, voire remplacée, par un supercondensateur. Un supercondensateur combiné à une batterie pourrait satisfaire les pics de demande d’énergie souvent inévitables lors de l’établissement et de l’échange de liaisons de données sans fil. Plusieurs fournisseurs de semi-conducteurs proposent déjà une gamme de circuits intégrés de gestion de l’énergie et de convertisseurs CC/CC à haut rendement, optimisés pour la récupération d’énergie à partir de plusieurs sources, telles que les panneaux solaires, les éléments piézoélectriques ou les thermocouples.

Pour en savoir plus sur la récupération d’énergie, veuillez consulter la page : https://resources.mouser.com/energy-harvesting

www.mouser.com

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