Transmission d'énergie sans fil

La transmission d'énergie sans fil est une technique donnant la possibilité la distribution de l'énergie électrique sans utiliser de support matériel.



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La transmission d'énergie sans fil est une technique donnant la possibilité la distribution de l'énergie électrique sans utiliser de support matériel. Cette technique est conçue pour être utilisée pour alimenter des lieux complexes d'accès.

Au contraire de la transmission de données, le rendement est le critère à maximiser, il va déterminer les différences des principales technologies.

Histoire

En 1825, William Sturgeon invente l'électroaimant, un fil conducteur enroulé autour d'un noyau de fer. Le principe de l'induction électromagnétique - un champ magnétique fluctuant induit un courant électrique dans un fil électrique - est découvert par Michæl Faraday en 1831. Combinant ces deux découvertes, Nicholas Joseph Callan est le premier en 1836 à faire la démonstration d'une transmission d'une énergie électrique sans fil. L'appareil à bobine d'induction de Callan est constitué de 2 bobines isolées - nommées bobinages primaire et secondaire - positionnées autour d'un noyau de fer. Une batterie connectée par intermittence au primaire'induit'une tension dans le secondaire, provoquant une étincelle[1], [2].

Dans une bobine d'induction ou un transformateur électrique, qui peut avoir un cœur ferreux ou de l'air, la transmission d'énergie se fait par simple couplage électromagnétique aussi connu par le terme induction mutuelle. Avec cette méthode, il est envisageable de transmettre de l'énergie sur de longues distances. Cependant, pour diriger l'énergie dans la bonne direction, les deux bobines doivent être positionnées suffisamment proches.

Dans le cas de couplage résonnant, où les bobines sont réglées sur la même fréquence, une puissance significative peut être transmise sur plusieurs mètres.

En 1864, James Clerk Maxwell réalise une modélisation mathématique du comportement des radiations électromagnétiques. En 1888, Heinrich Hertz réalise une transmission sans fil d'ondes radio, validant les modèles mathématiques de Maxwell. L'appareil de Hertz est reconnu comme le premier transmetteur radio. Quelques années plus tard, Gugliemo Marconi perfectionne le transmetteur, en y ajoutant un conducteur élevé et une connexion à la terre. Ces deux éléments peuvent être retrouvés dans les travaux de Benjamin Franklin en 1749 et de Mahlon Loomas en 1864.

Nikola Tesla investigue aussi dans la transmission radio mais au contraire de Marconi, Tesla conçoit son propre transmetteur, d'une puissance instantanée cinq fois supérieure à celui de ses prédécesseurs. Tous ces dispositifs utilisent au minimum 4 circuits de résonance, 2 pour l'émetteur et 2 pour le récepteur.

Tandis que les techniques sans fil se développent au début du XXe siècle, des recherches sont effectuées sur des méthodes de transmission alternatives. L'objectif était de générer un effet localement et de le détecter à distance. Des tests sont effectués sur des charges plus conséquentes, remplaçant les récepteurs faiblement résistifs utilisés jusqu'alors pour détecter un signal reçu. Au St. Louis World's Fair (1904), un prix est offert pour l'alimentation à une distance de 30 mètres d'un moteur de 0.1 cheval (75 W) [3].

Ratio taille/puissance

La taille des composants est déterminée par :

Les niveaux de puissance sont alors calculés selon tous ces paramètres, mais aussi la somme des gains et des pertes caractéristiques des antennes, et la prise en compte de la transparence du médium dans lequel l'onde est transportée. Cette étape est connue comme étant le calcul du bilan de liaison (Link Budget) [4].

Rendement

Systèmes à champ proche

Ces techniques permettent la transmission d'énergie sur une distance identique au diamètre des éléments transmetteurs. Elle va le plus souvent de quelques cm à quelques mètres.

Couplage inductif

Article détaillé : Courant induit.

Le principe d'un transformateur électrique est l'exemple le plus courant de transmission d'énergie sans fil. Les bobines du primaire et du secondaire sont électriquement isolées l'une de l'autre. Le transfert d'énergie se fait par couplage électromagnétique connu sous le nom de courant induit. L'inconvénient principal est la proximité requise du récepteur pour permettre le couplage.

Les applications sont diverses :

Couplage inductif par résonance

En 2006, Marin Soljačić mais aussi d'autres chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) proposent une nouvelle application de transfert d'énergie sans fil, en se basant sur la théorie de l'électromagnétisme à champ proche, et l'utilisation de «résonateurs couplés»[7], [8]. Dans leur courte analyse théorique ils démontrent que lors de l'émission d'ondes électromagnétiques avec un guide d'onde à grand angle, des ondes évanescentes sont produites sans transporter d'énergie. Si un guide d'onde résonant est positionné près de l'émetteur, les ondes évanescentes peuvent transmettre de l'énergie par un effet comparable à l'effet tunnel, le couplage des ondes évanescentes   (en) . L'énergie canalisée peut ainsi être transformée en énergie électrique continue au niveau du récepteur, et elle ne serait pas dissipée ou absorbée par l'environnement du dispositif. Le 7 juin 2007 un prototype est réalisé par le MIT : WiTricité permet d'alimenter une ampoule de 60 watts à une distance de 2 mètres, avec un rendement de 40 %.

Le couplage inductif par résonance est une réponse prometteuse aux défauts liés au couplage inductif respectant les traditions ainsi qu'aux rayonnements électromagnétiques : distance et efficacité. La résonance augmente le rendement en concentrant le champ magnétique sur le récepteur qui possède la même fréquence de résonance. Le récepteur est un solénoïde avec un enroulement sur simple couche, contrairement au secondaire des transformateurs classiques, mais aussi des plaques capacitives à chaque extrémité, qui accordent la bobine à la fréquence de l'émetteur, éliminant ainsi la perte d'énergie de «problème d'onde».

Dès le début des années 1960, le transfert d'énergie par couplage inductif résonant a été utilisé avec succès dans les implants médicaux[9] tels que le stimulateur cardiaque ou le cœur artificiel. Tandis que les premiers dispositifs utilisaient un récepteur à bobine résonante les derniers dispositifs[10] utilisent aussi des émetteurs à bobine résonante. Ces dispositifs médicaux sont conçus pour avoir un rendement optimal avec de l'électronique faible puissance, en gérant les désadaptations et variations dynamiques des bobines. La distance de transmission de ces dispositifs est le plus souvent inférieure à 20 cm. Actuellement le transfert d'énergie par couplage inductif résonant est souvent utilisé dans énormément d'implants commercialisés[11].

Le transfert d'énergie pour l'alimentation des voitures électriques et des autobus est une application expérimentale de grande puissance (> 10kW) de cette technologie. Des niveaux de puissance importants sont nécessaires pour la recharge rapide des véhicules, et un bon rendement permet une économie d'énergie et la diminution des impacts environnementaux. Une autoroute expérimentale utilisant ce principe a été réalisée pour recharger les batteries d'un autobus protoype[12], [13]. L'autobus pourrait être équipé d'une bobine rétractable pour diminuer la distance de transmission, le dispositif prototype ayant été conçu pour une distance de 10 cm. Des recherches sont aussi faites pour recharger les voitures sur des points de stationnement et dans les garages.

La recharge de ses batteries grâce aux ondes radio[14] et la commercialisation s'annoncent imminentes[15].

Systèmes à champ lointain

Ces dispositifs permettent l'acheminement de l'énergie sur des distances énormément plus grandes que le diamètre des transmetteurs, par exemple sur plusieurs kilomètres. Jusqu'au début du XXIe siècle, la transmission d'énergie sans fil sur courte et moyenne distances sera peu exploitée (puces RFID faible puissance). La peur d'éventuels risques sanitaires concernant la transmission aérienne d'énergie est une cause de l'abandon du projet.

L'utilisation de radiations microondes directionnelles sert à limiter les risques concernant la santé et la sécurité. La maîtrise de la précision d'alignement entre l'émetteur et le récepteur est un critère déterminant pour la sécurité du dispositif. En 2007, les recherches commencent à aboutir à des solutions concrètes, tels le dispositif Witricité.

Il y a peu de temps, de nouvelles technologies de convertisseurs à haut rendement d'énergie micro-onde en énergie électrique continue ont vu le jour[16] donnant la possibilité ainsi de récupérer un maximum d'énergie du faisceau micro-onde incident. Ces technologies s'appuient sur un dispositif de filtrage et un redresseur, basé sur l'association originale d'un dispositif passif d'adaptation d'impédance optimisé et d'un convertisseur spécifique. Ce type de système présente un grand potentiel d'application pour l'alimentation de dispositifs nomades dans le contexte du développement de l'intelligence ambiante. Cette avancée technologique donne la possibilité de récupérer assez d'énergie pour alimenter la plupart de petits systèmes : étiquetage, identification, rapatriement de données d'un capteur abandonné, petits micro processeurs, … et pourra par conséquent être utilisée comme source d'approvisionnement en énergie électrique d'une grande variété de micro dispositifs faible consommation localisés jusqu'à plusieurs mètres de la source avec un rendement de conversion jamais atteint jusqu'alors. Ces micro-systèmes auront une durée de vie infinie comparé à ceux pourvus d'éléments de stockage local d'énergie par voie électrochimique (pile). Il est aussi envisageable d'utiliser cette technologie pour recharger à distance des accumulateurs embarqués sur un dispositif nomade ou non connecté à une source d'énergie.

En faisant converger le champ électromagnétique grâce à une antenne géante, la NASA a réalisé en 1975[17] un transfert d'environ 34 kW sur une distance de 1, 5 km. Le rendement obtenu était, selon la NASA supérieur à 82%. L'utilisation d'un tel dispositif n'est bien entendu pas sans risque pour la santé, au vu des champs électromagnétiques particulièrement puissants.

Ondes radio et micro ondes

Lumière

Conduction électrique

Brevets de Tesla

Bibliographie

Notes

  1. Reville, William, “Nicholas Callan – Priest Scientist at Maynooth, ” University College, Cork
  2. The original induction coil was invented in 1836 by Nicholas Callan (1799-1864), a priest and the professor of natural philosophy at St. Patrick's College at Maynooth, County Kildare, Ireland.
  3. The Electrician (London), September 1902, pages 814-815).
  4. Swiss Wireless - Théorie radio et calculs de liens pour Wireless LAN
  5. SplashPower; Battery powered devices can be charged by placing them on an induction mat.
  6. eCoupled unveiled their own take on inductive coupling, which will soon be used on [http ://www. hermanmiller. com "Herman Miller" desks to recharge devices wirelessly]
  7. (en) "'Evanescent coupling'could power gadgets wirelessly", NewScientist. com news service, November 15, 2006 Accessed : January 8, 2007
  8. (en) Wireless energy could power consumer, industrial electronicsMIT press release
  9. J. C. Schuder, «Powering an artificial heart : Birth of the inductively coupled-radio frequency system in 1960», Artificial Organs, vol. 26, no. 11, pp. 909–915, 2002.
  10. SCHWAN M. A. and P. R. Troyk, «High efficiency driver for transcutaneously coupled coils» IEEE Engineering in Medicine & Biology Society 11th Annual International Conference, November 1989, pp. 1403-1404.
  11. (en) implants Cochlear
  12. Systems Control Technology, Inc, «Roadway Powered Electric Vehicle Project, Track Construction and Testing Program». UC Berkeley Path Program Technical Report : UCB-ITS-PRR-94-07, http ://www. path. berkeley. edu/PATH/Publications/PDF/PRR/94/PRR-94-07. pdf
  13. Shladover, S. E., «PATH at 20 : History and Major Milestones», Intelligent Transportation Systems Conference, 2006. ITSC'06. IEEE 2006, pages 1_22-1_29.
  14. www. presence-pc. com
  15. www. generation-nt. com
  16. www. enesio. fr
  17. www. youtube. com

Voir aussi

Recherche sur Amazone (livres) :



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