Transmission d'�nergie � distance by 2DspcES

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									Transmission d'énergie à distance

             LESIR - SATIE
               F. Costa


14/12/2011                      1
        Journées électrotechniques du Club EEA, 21-22 mars 2002

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    Transmission d’énergie à distance
        Quels domaines d’applications :
             –   Domaine médical
             –   Sécurité, identification, télépéage
             –   Applications domestiques
             –   Robotique, machine outil, manutention
             –   Transports
             –   Captage de l’énergie dans l’espace
            Deux approches possibles
                  – Courte distance (10- 3 à 1 m): induction
                  – Grandes distances (1à 106 m): micro-ondes
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    La transmission par induction : les domaines

        •Domaine médical :
              •recharge transcutanée, pacemaker, capteurs et
              micro-actionneurs, implants musculaires

        •Domaine industriel :
             •robotique, machine outil, manutention à grand
             déplacement en translation

        •Transports :
             •Recharge des véhicules électriques, transfert
             direct pour des véhicules individuels ou collectifs
        •Sécurité, identification :
             •Étiquettes électronique (supermarché sans caissières,
             gestion de fret), télépéage, implants médicaux
                                                                      3
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     La transmission par induction : le principe

           c irc u i t 1                              Les deux circuits couplés constituent un transformateur
                                 c irc u i t 2        plus ou moins fortement couplé
                       a
                                            b
                                                                                    l1            l2
                                                                    I1                                     R2    I2
                            i2
     i1
                                                              V 1                        Lm                      R    V 2
                           d


•Faible couplage k, nécessité                                       I1   R1                   R2 I2    C
d’optimiser le rendement
                                                              V1              L1         L2            R    V2
• Compensation des termes
réactifs : résonance L2C
                     P                      k                                •Le rendement dépend du coef. de
          t                
                 P  Ppertes                                                  couplage k et de F
                                 k  2 R2  R1
                                                  R2  L1L2
                                                                              •La charge optimale dépend de k :
                                        R  M  R 2                          adaptation par la fréquence si R ou k
           M  k  L1  L2                              R1
                                                                              fluctuent                                     4
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     Exemples de coupleurs magnétiques fixes




  Structures de coupleurs plat ou conique


                                             •Coupleurs à fibre amorphe, accroissement de k
                                             •Structure bobinée ou tissée : transfo souple [H. Matsuki & al.,
                                             J. App. Phy.]
                                                                           secondai r e
                                                                                                           sens du f lux
Coupleurs utilisés dans le domaine bio-
médical [J.C. Schuder & al., IEEE trans. on BME]
                                                                                  z ône d'entref er


                                                                                                               pr ima ir e




                                                             fi bre magnéti que                 fi bre amagnétique

                                                             Vue en coupe du transformateur                                  5
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      Exemples de coupleurs magnétiques mobiles

   Circuit magnétique : tore ouvrable Position séparée




                                     Enroulement secondaire mobile

    Enroulement primaire ouvrable



                                  Position d’insertion



  Coupleurs utilisés pour la recharge rapide du        Circuit magnétique ouvrable [Hirai, Kim]
  véhicule électrique [brevet Divan]
                                              Transformateur à entrefer et circuit magnétique
                                              tournant : robotique , machine outil [J. Hirai, & al., IEEE
                                                                     trans. on pow. Elec.], possibilité de transmission d’informations




                                                                                                                                         6
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        Exemples de coupleurs magnétiques mobiles
                                                            Coupleurs pour déplacements en translation :
                                                            palettisation, grue [Vahle GMBH]

                                               Performances
                                               requises :
                                               •Marche à vide
                                               •Faibles pertes
                                               •Réversibilité
                                               •Fonctionnement avec
                                               un bon facteur de
                                               qualité




Structure classique de conversion [P. Knaup, PCIM 98]           Structure réversible [P. Knaup, PCIM 98]
                                                                                                           7
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     Exemples de structures de conversion
                                                            Cas des couplages fixes




  Convertisseur à résonance série + modem HF
  (BP 10Hz-8MHz) sur la liaison
                                                           Application à une commande de moteur
                                                           synchrone en U/F=Cte:
                                                           •Structure à IBB au secondaire : contrôle
                                                           de F
                                                           •L’amplitude U est contrôlée au primaire




    Bande passante mesurée de la liaison
                                                                                                       8
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     Exemples de contraintes de conversion
                                                            Cas des couplages variables




        Application au transport



                                                           La puissance transmise dépend :
                                                           •De la position (coeff. de couplage)
                                                           •Du courant dans la charge

                                                            commande à fréquence variable de
                                                           type MPPT
  Convertisseur alimentant deux inducteurs
                                                                                                  9
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    Applications à faible niveau
                                                            Badges, identification




                                                 Structure générique de la puce [LETI] : traitement de
    Principe du système : F=13,56 MHz            l’énergie, des données, capteurs et actionneurs


    Applications :
    •Faible coût : télépéage rapide (métro),
    étiquetage électronique
    •Identification, sécurité
    •Fonctions avancées : avec descapteurs
    associés, monitoring médical

                                                                                                         10
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     Le futur de la génération portable…
                                                            Distribution de l’énergie sur le porteur
Un exemple de système…                               •Antennes patch pour la réception

        Conversion
        statique                                        •Système de navigation GPS intégrée au casque
                                                        •Information et guidage audio, UMTS intégré
                                                        •Commande vocale

                                                          •Coupleurs souples intégrés aux vêtements
•Badge
d’identification

                                                            •Transmission de l’énergie par
                                                            induction, coupleur fixe
                                                                  •Générateurs intégrés aux roues
                                                                  •Convertisseur intégré à la coque

                                                                                          [Roller Shak USA]
                                                                                                         11
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    Transmission par micro-ondes

        •Historique
        •Le principe
        •Quelques données technologiques
        •Concept du satellite solaire
        •Concept du lien terrestre




                                                                  12
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    Historique de la transmission par micro-ondes

        Plate-forme d’observation héliportée (1959):




             Transmission à 2,45GHz
             Problèmes technologiques :
                   •    Sources micro-ondes de forte puissance
                   •    Conversion µ-ondes/DC : critère W/kg
                   •    pointage
                                                                  13
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Principe de la transmission d’énergie par micro-ondes


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         Rendement : 30-70%
                                                                     i
                                                                    Fltre HF     Filtre DC
                  Source µ-onde
                                                                     Rendement : 60-80%
                  puissante :
                  magnétron
                                              Rendement : 20-100%
                  klystron

  Source DC


Rendement global : de 4 à 56 % selon la distance, la
dimension des antennes et la nature de la source µ-onde
                                                                     Rectenna 5,8GHz                14
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   Quelques données techniques


  Sources disponibles :                                Fréquences disponibles :
  •Magnétrons : oscillateur de puissance,              •Dépend du milieu de propagation, dans
  bon rendement (70%), peu coûteux,                    l’atmosphère : quelques fenêtres 35, 94
  difficile à synchroniser.                            GHz
  •Klystron : tube amplificateur, fortes               •Dépend du rendement des sources µ-
  puissances, rendement faible (20-40%).               ondes, il décroît avec F,
  •Semi-conducteur AsGa : faible puissance             •Dépend de la législation, 2,45 GHz est
  (1-10W), intérêt en réseaux.                         une fréquence utilisée industriellement




                                                                                                 15
        Journées électrotechniques du Club EEA, 21-22 mars 2002

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           Quelques données techniques

Rendement de transmission [Goubau,                        100
                                                                Rendement


Schwering in IRE 1971] :                                  90

•Il dépend des ouvertures d’antennes                      80

d’émission et de réception,                               70

                                                          60
•Il dépend de la distance de transmission                 50

•Il dépend de la longueur d’onde                          40

                                                          30

                                                          20

                                                          10
Un exemple :
                                                           0
                                                            0          0.5   1        1.5    2    2.5   3
=10 cm, d=100m, Ae=1m², Ar=3m²                                                       tau



On déduit :  = 0,17 et  # 5% !!
                                                                                       Ae  A r
D’où l’intérêt de  petit et d’ouvertures                                       
                                                                                        d
d’antennes grandes
                                                                                                            16
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Les antennes de réception : conversion µ-onde DC
    Dipôle électrique
                                                                         •Recherche de cellules d’antennes à
                        Filtre BF                                        grande efficacité, association en réseaux

                                                                         •Optimisation de la structure du dipôle
                                      VDC
                                                                         (lobes secondaires, harmoniques)
                   Redresseur                                            •Structure et technologie du redresseur
    Filtre HF : limite la re-émission des harmoniques                    •Adaptation d’impédance avec la charge
    de commutation du redresseur                                         (convertisseur statique)



          Prototype permettant d’améliorer le rendement énergétique (G. Pignolet, CNES , J.D. Lan Sun
          Luk Industrial Engineering Laboratory,University of Réunion)




                                                                                                                     17
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    Le concept SPS (Solar Power Satellite, P. Glaser 1968)

         –     L’énergie solaire est disponible en permanence dans
               l’espace et pour encore quelques milliards d’années !
               (1,4 kW/m², pas de fluctuation ni d’ombrage)
         –     Captage grâce à des capteurs photovoltaïques (10x5km)
         –     Transmission depuis l’orbite géostationnaire
               (rendement de transmission de l’ordre de 95 %)
         –     Vastes zones désertiques pour la réception (10x13km)
               (densité de puissance µ-onde : 50-100 W/m²)

                                                           Rendements énergétiques :
         Verrous                                           40 % (Électricité spatiale / AC 50Hz)
               •    Coût de la satellisation               8-10 % (Rayonnement solaire / AC 50Hz)
               •    Rendement global
                                                           Centrale nucléaire :
               •    Maintenance et fiabilité               32 % (chaleur / AC 50Hz)
               •    Effets biologiques                     <1% (énergie de l’uranium/AC 50Hz)       18
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 Les évolutions du concept SPS : tours solaires (97)




  Modularité, auto-assemblage, compatibilité avec les lanceurs actuels
  Constellation de satellites en orbite hélio-synchrone
        •    100 à 400 MW, F=5,8 GHz, antenne au sol : D=4km
        •    Coût 20-40 €/W, coût lancement : 500 €/kg
        •    Technologie avancée : sources µ-ondes à l’état solide, antennes à balayage (60°)
                                                                                                19
        Journées électrotechniques du Club EEA, 21-22 mars 2002

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    Les évolutions du concept SPS : tours solaires

                                                                  •Générateurs PV avec
                                                                  concentrateur, dissipateur et
                                                                  système de poursuite
                                                                  •Réflecteur déployable
                                                                  •Antenne et sources RF
                                                                  intégrées (solid state)
                                                                  •Pointage électronique




                                                                                             20
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      La transmission par micro-onde terrestre (WPT)

  Démonstrateur de transmission sur quelques 100m à Grand Bassin (Réunion) :
  alimentation d’un site isolé, Pr=2 kW, Pe=4kW, d=150m, =1,8, Ar=180m² , p/m²=10mW/cm²
  [A. Celeste, J.D. Lan Sun Luk, J.P. Chabriat, in SPS97]




           Réseau de Rectenna en H à 2,45 GHz,
           sources magnétrons synchronisés

                                                                                           21
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    Bilan sur la transmission par micro-ondes


         •Technologies non mûres : sources, rectenna,
         contrôle
         •Applications spatiales : coût, fiabilité, pollution
         pour l’astronomie
         •Effets biologiques inconnus
          quelques niches d’applications : plate-forme
         aéroportées pour les télécommunications, liens
         terrestres


                                                                  22
        Journées électrotechniques du Club EEA, 21-22 mars 2002

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    Conclusion générale

         La transmission sans contact est une évolution
         forte dans de multiples domaines d’applications

         Quelque soit la distance de transmission :
         •Nécessité de considérer l’ensemble du système pour
         optimiser l’efficacité énergétique,
         •Nécessité d’intégration du système pour une meilleure
         efficacité, grande importance des matériaux (semi-
         conducteurs, magnétiques, diélectriques, électro-actifs)


                                                                    23
        Journées électrotechniques du Club EEA, 21-22 mars 2002

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    Le concept SPS (Solar Power Satellite, P. Glaser 1968)
                                                           Satellite SPS 1ère génération : 1968


                                                                              Orbite GEO
                                                                              5GW
                                                                              2,45GHZ




                                                                                             24

								
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