Tout semble si simple, et à première vue, c'est très logique. Nous vivons dans un monde rendu fou de signaux électroniques : la radio, la TV, le Wi-Fi et les signaux de téléphonie cellulaire, pour ne citer que les plus évidents. Grâce à l'avènement des appareils mobiles, des ordinateurs vestimentaires et de l'internet des objets (IoT), l'un des principaux axes de R&D en électronique a été de développer des applications qui fonctionnent avec très peu d'énergie.
Pourquoi ne pas mettre en place que une petite antenne pour capter une partie de cette fréquence radio et la rectifier ? Il sera facile d'obtenir un microwatts ou deux, et de l'utiliser pour recharger lentement une batterie ou un supercondensateur. Ce sera juste assez pour alimenter un appareil IoT qui n'a besoin que de s'allumer de temps en temps, de transmettre une donnée, puis de se rendormir. Puis, après que notre appareil IoT se soit de nouveau allumé, le captage reprend, et une quantité importante d'énergie stockée attend le prochain réveil.
Eh bien c'est au moins, la théorie. et cela semble beau sur le papier. Après tout, une station de télévision émet une énorme quantité de RF. Seule une infime partie de celles-ci est dissipée dans les étapes de détection totales combinées de tous les récepteurs de télévision qui sont branchés. Le reste est là, en attente d'être capté.
Au laboratoire de recherche
Le captage d'énergie RF commence par une antenne. Une antenne donnée ne peut récolté efficacement que la puissance rayonnée par une bande de fréquences proche. Un bon point de départ est l'exemple de la télévision UHF et VHF. Même à 500 mHz, un dipôle mesurerait 0,3 mètre de long. Ceci représente déjà un obstacle, car il s'agit d'une assez grande quantité de ressources matérielles pour récupérer une quantité plutôt faible d'énergie. En outre, l'antenne doit être placée avec une orientation spatiale spécifique par rapport à l'antenne émettrice de la station de télévision. Et ces deux exigences rendent impossible un dispositif portable.
L'antenne de réception de la machine qui capte l'énergie présente une impédance de 50 ohms, qui doit être adaptée à l'impédance d'entrée du reste de l'appareil. La tension captée au niveau de l'antenne doit alors être amplifiée jusqu'à au moins un volt de sorte qu'elle puisse être transformée en courant continu. Cela peut être réalisé grâce à un dispositif appelé une pompe de charge, qui augmente la tension, mais, bien sûr, ne peut pas augmenter la puissance totale.
Une série d'expériences intéressantes se concentre sur le captage d'énergie RF générée par une station de diffusion de TV à Tokyo, au Japon, à une distance de 6,5 km. Le schéma de principe du projet se présente comme suit.
Figure 1 : Représentation d'une description de niveau système d'un dispositif de captage d'énergie. (Source : « Un appareil sans batterie, de captage d'énergie par balayage longue portée de puissance sans fil issue de la diffusion de la télévision terrestre, (A Battery-Less, Energy Harvesting Device for Long Range Scavenging of Wireless Power from Terrestrial TV Broadcasts) » Georgia Institute of Technology)
Le projet a été mené à l'Institut de technologie de Géorgie en collaboration avec des chercheurs de l'Université de Tokyo. Dans ce mode de mise en œuvre, la pompe de charge mentionnée ci-dessus est contenue dans le bloc RF-CC.
Des résultats significatifs du projet sont résumés au travers du schéma suivant. Les blocs verts représentent la quantité de puissance en microwatts capturée à la distance de 6,5 km par l'antenne à partir des émissions en fréquences UHF caractéristiques de la télévision japonaise. Les bandes bleues et rouges représentent la puissance nécessaire pour charger le super-condensateur mentionné dans le schéma synoptique, à 1,8 volts et 3,0 volt, respectivement.
Figure 2: Le super-condensateur a été chargé à 2,9 volts en un laps de temps raisonnable. (Source : « Un appareil sans batterie, de captage d'énergie par balayage à longue portée de la puissance sans fil de la diffusion de la télévision terrestre, (A Battery-Less, Energy Harvesting Device for Long Range Scavenging of Wireless Power from Terrestrial TV Broadcasts) » Georgia Institute of Technology)
Les difficultés pratiques du captage d'énergie
Les partisans du captage d'énergie à distance pour les appareils IoT affirment que cette approche serait utile pour alimenter un capteur à distance dans une zone urbaine. Mais, comme nous l'avons vu, une antenne relativement longue est nécessaire et doit être bien orientée vers une station de télévision ou une autre source d'alimentation. Et, si la source d'alimentation se déplace ou est modifiée, tous les appareils IoT correspondants doivent être réalignés. Cela réduit à néant l'objectif majeur du déploiement du captage d'énergie pour les IoT, qui est d'éviter d'accéder physiquement à l'appareil en cours de chargement. Les contraintes d'antenne elles-mêmes rendent le captage d'énergie à distance pour les appareils portables très peu pratique.
Lorsque l'on considère que l'incidence de l'énergie solaire est beaucoup plus importante que la quantité d'ondes radio autorisée dans les espaces publics partout dans le monde développé, il est difficile d'en justifier le déploiement. En outre, la situation ne risque pas d'évoluer, car il y a une limite à la quantité d'énergie RF que l'on peut constater dans un espace public. Quoi qu'il en soit, les limites sont susceptibles d'être revues à la baisse, car l'exposition aux RF est considérée avec inquiétude en raison des risques possibles pour la santé de la population.
Les applications pratiques du captage d'énergie
RF dirigée pour le captage d'énergie
Il existe des situations où un capteur est déployé dans une zone qui est difficile d'accès, ou lorsque la région elle-même est dangereuse pour les humains. Dans ce cas, un procédé a été mis au point par lequel un capteur n'est pas alimenté au travers du captage d'énergie aléatoire, mais par un captage d'énergie visant spécifiquement le capteur. Au lieu de dépendre des caprices d'une antenne délicate ou de la présence ou de l'absence d'un signal de télévision, un technicien peut diriger un émetteur RF sur l'appareil à partir d'une distance de sécurité.
Powercast Corporation propose un kit d'évaluation pour aider les organisations à explorer les possibilités de cette technologie. Le kit d'évaluation P2110-EVAL-02 de la société est disponible chez Arrow Electronics. La fiche technique révèle qu'il comprend un émetteur et un récepteur RF, une antenne et un carte de charge pour exploiter la puissance transmise. Un autre domaine important à explorer est certainement la RFID.
RFID - Remote Frequency Identification (Identification de fréquence à distance)
L'identification de fréquence à distance, ou RFID, utilise des signaux d'ondes radio pour identifier un objet étiqueté. L'appareil qui lit l'étiquette la baigne dans un signal RF qui a deux objectifs. Tout d'abord, l'étiquette, un minuscule appareil électronique, « capte » l'énergie RF résultante, qu'il utilise pour se mettre sous tension. Ensuite, l'étiquette, qui contient des informations d'identification numérique stockées, les transmet vers le lecteur.
Le lecteur connaît désormais l'identité de l'article qu'il a numérisé. Les étiquettes peuvent être très petites par rapport aux étiquettes de codes barres visuels. En outre, un employé humain peut faire l'identification à distance, et l'approche se prête facilement à l'automatisation.
Le bilan
Donc, sauf si vous concevez un ensemble IoT ou vestimentaire pour le faire fonctionner dans un bâtiment qui abrite aussi un émetteur de télévision, l'expérience prouve que le captage d'énergie sera un effort digne de Don Quichotte et finalement peu pratique. D'autre part, il existe des situations où le captage d'énergie d'ondes radio spécifiquement dirigées peut être éminemment pratique.
