I-Le Transfert d'énergie sans fils

Le transfert d’énergie sans fil

Histoire et découvertes :

En 1825, William Sturgeon invente l'électroaimant, un fil conducteur enroulé autour d'un noyau de fer. Le principe de l'induction électromagnétique. Le champ magnétique fluctuant qui induit un courant électrique dans un fil électrique est découvert par Michael Faraday en 1831.

Combinant ces deux découvertes, Nicholas Joseph Callan est le premier en 1836 à faire la démonstration d’une transmission électrique sans fil.

Nikola Tesla s'intéresse aussi à la transmission d’énergie sans fil et plus précisément la transmission Radio. Il va donc concevoir son propre transmetteur d’une puissance instantanée 5 fois supérieur à celui de ses prédécesseurs.

Le transfert d’énergie sans fil est généralement un processus en 3 étapes :

– L’énergie électrique alternative ou continue est fournie à un générateur haute fréquence et ensuite amenée à la structure émettrice.

– L’onde électromagnétique se propage vers la structure réceptrice.

– L’énergie est captée et transformée en tension alternative puis continue et par la suite utilisée pour alimenter une charge.

Il y a trois types de transfert d’énergie sans fil :

• Le couplage magnétique inductif (faible distances)

• Le couplage magnétique résonnant

• Le transfert radiatif (longues distances)

I - Le couplage magnétique inductif

Le couplage magnétique inductif fonctionne sur des distances très faibles (en champ proche), typiquement de l’ordre de quelques centimètres, mais se caractérise par un très bon rendement.

Cette technique est largement utilisée pour la recharge sans fil de la batterie interne de dispositifs grand public tels que des brosses à dents électriques ou des souris sans fil.

Le transfert de puissance est réalisé généralement via l’induction magnétique entre deux bobines à air.

1 - Le couplage magnétique inductif par résonance

Au début des années 60 le couplage magnétique inductif par résonance a été utilisé avec succès dans des hôpitaux pour des implants médicaux tel qu’un stimulateur cardiaque ou un cœur artificiel.Les premiers systèmes utilisaient déjà un récepteur à bobines résonantes alors que les derniers systèmes utilisent également des émetteurs à bobines résonantes. Ces systèmes médicaux sont conçus pour avoir un rendement optimal avec de l'électronique faible puissance, en gérant les désadaptations et variations dynamiques des bobines. La distances de transmission de ces deux systèmes est généralement de 20 cm ou moins. Le couplage magnétique inductif par résonance est aujourd’hui beaucoup utilisé dans les implants commercialisés.

Une autoroute expérimentale utilisant ce principe a été réalisée pour recharger les batteries d'un autobus prototype. Les transformateurs utilisent ce procédés en effet il est basé sur ce phénomène qui est l’induction magnétique, il se produit lorsque une boucle conductrice est reliée à une source de courant alternatif. Celui-ci produit alors un champ magnétique oscillant ( ou alternatif ) dans le champ de la boucle. Pour que le processus soit complet nous avons besoins d’une seconde boucle qui servira de récepteur et qui “capturera” une partie de ce champ magnétique et qui générera à son tour un courant électrique dans le second enroulement. Cette relation se nomme l’électromagnétisme. Ainsi dans un transformateur si on applique une tension alternative à la source l’enroulement principale crée alors un flux magnétique alternatif dans le noyau magnétique. Cette variation est captée par l’enroulement secondaire puis est transformé en courant ou si l’enroulement n’est pas raccordé à un récepteur en tension.

De plus les transformateurs ont un très bon rendement en effet la puissance d’environ 99% on appel ce rendement le rendement moyen.

II - Le couplage magnétique résonnant

Le couplage magnétique résonnant entre deux structures, généralement des enroulements circulaires, permet de faire du transfert d’énergie en champ proche. Les fréquences de fonctionnement sont relativement faibles (de l’ordre de quelques MHz), ce qui fait que l’émetteur et le récepteur sont assez encombrants .

Un transfert efficient de puissance peut être effectué en utilisant deux ou plusieurs objets résonant à la même fréquence. Comparé au couplage inductif non résonant, le couplage résonant est plus efficace.

L’amélioration est due à l’utilisation du régime de couplage fort des objets résonants, ce qui permet de maximiser le transfert.

III - Le transfert radiatif

L’énergie peut également être transmise à distance par l’intermédiaire d’un champ radiatif haute-fréquence. Cette méthode utilise des ondes électromagnétiques à haute fréquence, en général supérieure à 1 GHz, le transfert d’énergie étant réalisé en champs lointain.Le transfert de grandes quantités d’énergie sans fil sur des distances de plusieurs km a déjà été réalisé, avec des efficacités supérieures à 70 %, mais le nombre d’applications viables à ces niveaux de puissances est très limité, en raison des normes sanitaires de protection des personnes ainsi que les tailles imposantes des antennes nécessaires. Cette technique est plus souvent utilisée pour transmettre de l’énergie vers des puces UHF RFID.

Exemple : 1975 : En faisant converger le champ électromagnétique grâce à une antenne géante, la NASA a réalisé en un transfert d'environ 34 kW sur une distance de 1,5 km. Le rendement obtenu était, selon la NASA supérieur à 82 %. L'utilisation d'un tel système n'est évidemment pas sans risque pour la santé, au vu des champs électromagnétiques très puissants.

Avancement dans le monde de la technologie sans fil

Chine :

En Chine, la CCSA (China Communication Standard Association) a élaboré des normes TESF (transfert d'énergie sans fils) pour les dispositifs portables, par exemple les stations mobiles. En 2009, le TC9 de la CCSA a lancé un nouveau projet de rapport de recherche sur la technologie d'alimentation électrique sans fil en champ proche. Ce projet s'est achevé en mars 2012 et un rapport a été élaboré sur les recherches effectuées en matière de technologie d'alimentation électrique sans fil. En 2011, le TC9 de la CCSA a élaboré deux projets de norme concernant: 1) les méthodes d'évaluation du champ électromagnétique pour l'alimentation électrique sans fil; et 2) les limites et méthodes de mesure de la compatibilité électromagnétique (CEM) pour l'alimentation électrique sans fil. Ces deux normes seront publiées prochainement.

Japon :

Au sein du BWF (Broadband Wireless Forum, Japon), le Groupe de travail sur la TESF est chargé de rédiger des normes techniques sur la TESF conformément aux protocoles de rédaction de l'ARIB (Association of Radio Industries and Businesses). Un projet de norme élaboré par le BWF sera envoyé à l'ARIB pour approbation. Le BWF a mené une étude technique approfondie relative au spectre pour la TESF pour toutes les applications et techniques.Les techniques TESF ci-après sont en cours de normalisation. Pour les trois premières, pour lesquelles la puissance de transmission est inférieure à 50 W, les normes devraient être approuvées en 2015.

Différentes organisations s'occupent de la mise en œuvre pour que le transfert d'énergie sans fil se normalise dans le monde entier comme par exemple A4WP avec l'activité suivante :

Couplage par résonance magnétique en champ proche ou moyen non radiatif (couplage à forte résonance) (TESF à faible couplage).

Parmi ces organisations nous avons WiTricity pionnière dans le domaine de l’électricité sans fil.