Systèmes d’analyse de la récupération d’énergie lumineuse en intérieur pour l’alimentation d’objets connectés

Light Energy Harvesting Analysis Systems for Indoor Applications

• Auteur / Autrice : Bastien Politi
• Direction : Alain Foucaran, Nicolas Camara
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 12/03/2021
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'électronique et des systèmes (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Briot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Foucaran, Nicolas Camara, Olivier Briot, Jean-Jacques Simon, Raphaël Clerc, Guylaine Poulin-Vittrant, Mathias COMBELLE
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Jacques Simon, Raphaël Clerc

Mots clés

Mots clés contrôlés

Générateurs photovoltaïques

Internet des objets

Énergies renouvelables

Mots clés libres

Autonomie énergétique

Récupération d’énergie lumineuse

Environnements d’intérieur

Système d’analyse à faible coût

Energy autonomy

Light energy harvesting

Indoor environments

Low cost system

Résumé

Rendre autonomes en énergie les appareils connectés qui nous entourent devient aujourd’hui un enjeu important. Différentes sources d’énergie ambiante peuvent alors servir à les alimenter. Cependant, selon le type d’environnements dans lesquels ils sont installés, les sources d’énergie ambiante présentes peuvent varier. La quantité d’énergie des sources disponibles peut être inégale et inconstante. L’entreprise Bureaux A Partager (BAP), initiatrice de cette thèse, entend appliquer cette approche à des tablettes d’affichage connectées, utilisées dans les espaces communs de ses bureaux, afin de réduire les contraintes et coûts de leur installation et de leur utilisation. Néanmoins, la quantité d’énergie consommée par cette tablette numérique est entre cent et mille fois supérieure à celle des dispositifs généralement rendus autonomes par cette méthode d’alimentation électrique. La rendre autonome est donc un défi de taille qui nécessite de connaitre avec précision les sources d’énergie à disposition dans son environnement et la quantité d’énergie qui peut en être récupérée.Cette thèse CIFRE expose tout d’abord en quoi la lumière semble être l’énergie ambiante la plus favorable à rendre autonome un appareil qui consomme plus de 10 mW de puissance moyenne dans un environnement de bureaux. Le besoin de connaitre l’énergie récupérable en pratique dans un environnement précis afin de développer des récupérateurs d’énergie adaptés a mené à développer une méthode de calcul. Elle repose sur des mesures de caractéristiques électrique et optique d’un convertisseur photovoltaïque et du spectre lumineux ambiant. Ces performances de calculs sont validées en comparant ses calculs aux mesures de récupération d’énergie d’un prototype de récupérateur. Pour s’affranchir des contraintes liées aux instruments de mesure coûteux et complexes nécessaires à l’acquisition du spectre lumineux, un système d’analyse à faible coût et à faible résolution spectrale est développé. Grâce à l’utilisation de méthodes de classifications des sources lumineuses et de reconstruction spectrale, ce système est capable de réaliser des évaluations de l’énergie récupérable équivalentes en précision à celles obtenues avec les instruments à haute résolution. Les résultats d’observations obtenus ont permis d’établir que pour rendre autonome le dispositif d’affichage de BAP, un récupérateur d’énergie d’une surface d’environ 250 cm² de cellules en arséniure de gallium serait adapté.

Energy autonomy for the connected devices around us is becoming an important issue today. Various sources of ambient energy can be used to supply them with power. However, depending on the type of environment in which they are set up, the ambient energy sources available may vary. Besides, the amount of energy from the available sources can be uneven and inconsistent. The company Bureaux A Partager (BAP), the initiator of this thesis, intends to apply this approach to smart tablet displays used for the shared areas of its offices to reduce the constraints and costs of their installation and use. Yet, the amount of energy consumed by this digital tablet is between one hundred and one thousand times greater than that of devices generally made autonomous by this method of power supply. Therefore, making the tablet autonomous is a major challenge that requires precise knowledge of the energy sources available in its environment and the amount of energy harvestable from them.This industrial thesis first explains how the light seems to be the ambient energy most likely to make a device that consumes on average more than 10 mW of power autonomous in an office environment. The necessity to know the energy available in practice in a specific environment to develop energy harvesting systems adapted to it led to developing a calculation method. It is based on measurements of a photovoltaic converter's electrical and optical characteristics and the ambient light spectrum. The calculations are validated by comparing them with the energy harvesting measurements of a prototype energy harvesting systems. A low-cost analysis system with a low spectral resolution is developed to overcome the constraints associated with the costly and complex instruments required to acquire the light spectrum. Using light source classification and spectral reconstruction methods, the system can perform recoverable energy evaluations equivalent in accuracy to those obtained with high-resolution instruments. Finally, the results of the observations obtained made it possible to establish that, to make the BAP display tablets autonomous, an energy harvesting device with a surface area of approximately 250 cm² of gallium arsenide cells would be suitable.