Une alimentation perpétuelle à partir de la récupération d’énergie thermique

La capture de l’énergie (energy harvesting), technique selon laquelle l’énergie électrique utile est générée par des sources disponibles gratuitement telles que les vibrations, la chaleur ou la lumière, est une caractéristique essentielle des capteurs sans fil auto-alimentés qui ne requièrent aucune maintenance de la batterie. Or, ces réseaux de capteurs sont de plus en plus utilisés, notamment dans des applications telles que l’automatisation de processus, le contrôle d’état ou les immeubles intelligents.
Pour répondre aux besoins de ce marché, STMicroelectronics, fournisseur mondial de semi-conducteurs pour applications de puissance et de gestion de l’énergie, et Micropelt GmbH, une jeune entreprise allemande spécialisée dans le développement d’appareils thermoélectriques innovants à couches minces, ont développé conjointement un kit d’évaluation de capteurs sans fil autonomes baptisé TE-Power NODE.
Au cœur de ce nouveau kit d’évaluation, un générateur thermoélectrique (TEG) exploite un phénomène physique appelé  » Effet Seebeck  » où l’énergie électrique résulte du flux thermique produit par un différentiel de température sur une couche thermoélectrique micro-structurée. À partir d’un gradient effectif de 10°C, le générateur thermoélectrique produit une tension de 1,4 V. Le système de conditionnement d’énergie personnalisé de Micropelt convertit cette tension en une énergie suffisante pour commander le réseau de capteurs sans fil et charger une batterie en utilisant le surplus d’énergie thermique. Dans le kit, le générateur thermoélectrique Micropelt MPG-D751 est placé entre une plaque d’aluminium solide et un radiateur à ailettes. La plaque est reliée à une source de chaleur appropriée, de sorte que l’effet refroidissant du radiateur peut créer un différentiel de température sur le générateur thermoélectrique enfoui.  » La récupération d’énergie thermique offre un potentiel exceptionnel dans la mesure où cette technique représente une source d’énergie auto-suffisante virtuellement infinie en exploitant gratuitement un surplus de chaleur qui sinon serait perdu « , déclare Fritz Volkert, CEO de Micropelt.
La batterie rechargeable utilisée dans le kit est une batterie à couches minces et haute densité énergétique EFL700A39 développée par ST dans la technologie EnFilm. Elle affiche un grand nombre de cycles de charge/décharge, c’est-à-dire supérieur à 1.000 à une profondeur de décharge de 50 % et occupe une surface de 25,4 x 25,4 mm pour une épaisseur de seulement 0,2 mm. Rechargeable à 80 % de sa capacité initiale en 20 min sous une tension constante de 4,2 Vdc, sans limitation du courant de charge, elle ne contient pas de matières solvantes et ne présente aucun risque d’inflammation en cas de courts-circuits ou de surcharge. Cette batterie de 700 microampère-heure peut générer un courant crête pulsé élevé (jusqu’à 10mA) pour alimenter le nœud de capteurs sans fil au cours de ses communications avec le réseau.
Lorsque la plaque de base du kit d’évaluation est en contact avec une source de chaleur, le générateur thermoélectrique de Micropelt alimente le système et recharge la batterie EnFilm. Dès que la source de chaleur disparaît, le générateur cesse de fonctionner et seule la batterie EnFilm alimente le capteur sans fil. L’association du générateur et de la batterie EnFilm permet d’équilibrer les écarts d’alimentation thermique et permet d’alimenter le système sans fil connecté à l’aide d’une source d’énergie virtuellement infinie.
Conçue par ST, la carte de la batterie héberge la batterie EnFilm et les circuits électroniques qui commandent et surveillent à la fois le niveau de charge de la batterie et le bilan énergétique : un régulateur linéaire BiCMOS STLQ50 spécialement conçu pour les environnements qui requièrent une très basse consommation d’énergie, ainsi que le circuit de gestion de batterie STC3100 qui surveille la tension de la batterie, le courant et la température. Ce circuit intègre également un compteur de Coulomb chargé de superviser le niveau de charge/décharge de la batterie.
Le circuit de gestion de l’alimentation et de contrôle de la charge de la batterie peut être visualisé à travers le  logiciel d’interface utilisateur graphique inclus via une liaison sans fil à 2,4 GHz GHz. Le logiciel affiche et enregistre les paramètres thermiques et électriques essentiels du système, parmi lesquels un bilan énergétique mesuré en continu entre le générateur thermoélectrique et la batterie EnFilm. Pour l’utilisateur, ce dispositif constitue un moyen d’évaluer les performances du système de récupération thermique avec la batterie EnFilm dans une application donnée, ce qui facilite la conception du système et réduit les délais de mise sur le marché.