Transmission d'nergie distance

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Transmission d'énergie à distance

• LESIR - SATIE
• F. Costa

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Transmission dénergie à distance

• Quels domaines dapplications
• Domaine médical
• Sécurité, identification, télépéage
• Applications domestiques
• Robotique, machine outil, manutention
• Transports
• Captage de lénergie dans lespace

• 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

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La transmission par induction le principe
Les deux circuits couplés constituent un
transformateur plus ou moins fortement couplé

• Faible couplage k, nécessité doptimiser le
  rendement
• Compensation des termes réactifs résonance L2C

• Le rendement dépend du coef. de couplage k et de
  F
• La charge optimale dépend de k adaptation par
  la fréquence si R ou k fluctuent

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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.

Coupleurs utilisés dans le domaine bio-médical
J.C. Schuder al., IEEE trans. on BME
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Exemples de coupleurs magnétiques mobiles
Coupleurs utilisés pour la recharge rapide du
véhicule électrique brevet Divan
Circuit magnétique ouvrable Hirai, Kim
Transformateur à entrefer et circuit magnétique
tournant robotique , machine outil J. Hirai,
al., IEEE trans. on pow. Elec., possibilité de
transmission dinformations
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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
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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/FCte
• Structure à IBB au secondaire contrôle de F
• Lamplitude U est contrôlée au primaire

Bande passante mesurée de la liaison
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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
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Applications à faible niveau
Badges, identification
Structure générique de la puce LETI
traitement de lénergie, des données, capteurs et
actionneurs
Principe du système F13,56 MHz

• Applications
• Faible coût télépéage rapide (métro),
  étiquetage électronique

• Identification, sécurité

• Fonctions avancées avec descapteurs associés,
  monitoring médical

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Le futur de la génération portable
Distribution de lénergie sur le porteur
Un exemple de système
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Transmission par micro-ondes

• Historique

• Le principe

• Quelques données technologiques

• Concept du satellite solaire

• Concept du lien terrestre

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Historique de la transmission par micro-ondes

• Plate-forme dobservation héliportée (1959)

• Transmission à 2,45GHz
• Problèmes technologiques
• Sources micro-ondes de forte puissance
• Conversion µ-ondes/DC critère W/kg
• pointage

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Principe de la transmission dénergie par
micro-ondes
Rendement 30-70
Rendement 60-80
Rendement 20-100
Rendement global de 4 à 56 selon la distance,
la dimension des antennes et la nature de la
source µ-onde
Rectenna 5,8GHz
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Quelques données techniques

• Sources disponibles
• Magnétrons oscillateur de puissance, bon
  rendement (70), peu coûteux, difficile à
  synchroniser.
• Klystron tube amplificateur, fortes puissances,
  rendement faible (20-40).
• Semi-conducteur AsGa faible puissance (1-10W),
  intérêt en réseaux.

• Fréquences disponibles
• Dépend du milieu de propagation, dans
  latmosphère quelques fenêtres 35, 94 GHz
• Dépend du rendement des sources µ-ondes, il
  décroît avec F,
• Dépend de la législation, 2,45 GHz est une
  fréquence utilisée industriellement

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Quelques données techniques

• Rendement de transmission Goubau, Schwering in
  IRE 1971
• Il dépend des ouvertures dantennes démission et
  de réception,
• Il dépend de la distance de transmission
• Il dépend de la longueur donde

Un exemple l10 cm, d100m, Ae1m², Ar3m² On
déduit t 0,17 et h 5 !! ?Doù lintérêt de
l petit et douvertures dantennes grandes
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Les antennes de réception conversion µ-onde DC
Dipôle électrique

• Recherche de cellules dantennes à grande
  efficacité, association en réseaux
• Optimisation de la structure du dipôle (lobes
  secondaires, harmoniques)
• Structure et technologie du redresseur
• Adaptation dimpédance avec la charge
  (convertisseur statique)

Filtre BF
Redresseur
Filtre HF limite la re-émission des harmoniques
de commutation du redresseur
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Le concept SPS (Solar Power Satellite, P. Glaser
1968)

• Lénergie solaire est disponible en permanence
  dans lespace et pour encore quelques milliards
  dannées !
• (1,4 kW/m², pas de fluctuation ni dombrage)
• Captage grâce à des capteurs photovoltaïques
  (10x5km)
• Transmission depuis lorbite géostationnaire
• (rendement de transmission de lordre de 95 )
• Vastes zones désertiques pour la réception
  (10x13km)
• (densité de puissance µ-onde 50-100 W/m²)
• Verrous
• Coût de la satellisation
• Rendement global
• Maintenance et fiabilité
• Effets biologiques

Rendements énergétiques 40 (Électricité
spatiale / AC 50Hz) 8-10 (Rayonnement solaire /
AC 50Hz) Centrale nucléaire 32 (chaleur / AC
50Hz) lt1 (énergie de luranium/AC 50Hz)
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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, F5,8 GHz, antenne au sol D4km
• Coût 20-40 /W, coût lancement 500 /kg
• Technologie avancée sources µ-ondes à létat
  solide, antennes à balayage (60)

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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

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La transmission par micro-onde terrestre (WPT)
Démonstrateur de transmission sur quelques 100m à
Grand Bassin (Réunion) alimentation dun site
isolé, Pr2 kW, Pe4kW, d150m, t1,8, Ar180m² ,
p/m²10mW/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
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Bilan sur la transmission par micro-ondes

• Technologies non mûres sources, rectenna,
  contrôle
• Applications spatiales coût, fiabilité,
  pollution pour lastronomie
• Effets biologiques inconnus
• ? quelques niches dapplications plate-forme
  aéroportées pour les télécommunications, liens
  terrestres

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Conclusion générale
?La transmission sans contact est une évolution
forte dans de multiples domaines dapplications

• ?Quelque soit la distance de transmission
• Nécessité de considérer lensemble du système
  pour optimiser lefficacité énergétique,
• Nécessité dintégration du système pour une
  meilleure efficacité, grande importance des
  matériaux (semi-conducteurs, magnétiques,
  diélectriques, électro-actifs)

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Le concept SPS (Solar Power Satellite, P. Glaser
1968)
Satellite SPS 1ère génération 1968
Orbite GEO 5GW 2,45GHZ