Puissance RF : Comment fonctionne la récolte d'énergie RF

Pourquoi ne pas installer une petite antenne pour capter une partie de cette fréquence radio et la redresser ? Il sera facile de générer environ un microwatt et de l'utiliser pour recharger lentement une batterie ou un supercondensateur. Ce sera juste suffisant pour alimenter un dispositif IoT qui n'a besoin de s'allumer qu'occasionnellement, transmettre une mesure, puis retourner en veille. Ensuite, une fois que notre dispositif IoT se remet en veille, la récupération RF reprend, et une quantité suffisante d'énergie stockée attend le prochain réveil.

Eh bien, du moins, c'est la théorie. Et cela semble assez bien. Après tout, une station de télévision émet une énorme quantité de RF. Seule une infime fraction de celle-ci est dissipée dans les étages détecteurs des totaux combinés de tous les téléviseurs réglés. Le reste est là, prêt à être récupéré.

Techniques de récupération RF

La récupération d'énergie RF commence par une antenne. Une antenne donnée ne peut récolter efficacement l'énergie que dans une plage spécifique de fréquences proches. Un bon point de départ est l'exemple des téléviseurs UHF et VHF. Même à 500 MHz, un dipôle mesurerait 0,3 mètre de long. Cela soulève déjà un signal d'alarme, car c'est une quantité relativement importante d’espace consacrée à récolter une quantité d'énergie plutôt minuscule. De plus, l'antenne doit être placée dans une orientation spatiale spécifique par rapport à l'antenne émettrice de la station de télévision. Et ces deux exigences rendent cela peu pratique pour un appareil portable.

L'antenne réceptrice du collecteur présente une impédance de 50 ohms, qui doit être adaptée à l'impédance d'entrée du reste de l'appareil. La tension collectée à l'antenne doit ensuite être augmentée à au moins un volt pour pouvoir être redressée en courant continu. Cela peut se faire à l'aide d'une configuration appelée pompe de charge, qui augmente la tension mais, bien sûr, ne peut pas augmenter la puissance RF totale.

Recherche sur la récupération d'énergie RF

Une série d'expériences intéressantes se concentre sur la récolte de la puissance RF générée par une station de diffusion de télévision à Tokyo, Japon, à une distance de 6,5 km. Le diagramme fonctionnel du projet est le suivant.

Le projet a été mené au Georgia Institute of Technology en collaboration avec des chercheurs de l'Université de Tokyo. Dans cette mise en œuvre, la pompe de charge mentionnée ci-dessus est contenue dans le bloc RF-DC.

Les résultats importants du projet sont résumés dans le diagramme suivant. Les blocs verts représentent la quantité de puissance—en microwatts—capturée à la distance pertinente de 6,5 km par l'antenne à partir des émissions aux fréquences UHF caractéristiques de la télévision japonaise. Les bandes bleues et rouges représentent la puissance nécessaire pour charger le supercondensateur mentionné dans le diagramme de blocs à 1,8 volts et 3,0 volts, respectivement.

Limitations de la récolte d'énergie RF

Les partisans de la collecte d'énergie RF à distance pour les appareils IoT affirment que cette approche pourrait être utile pour alimenter un capteur à distance dans une zone urbaine. Cependant, comme nous l'avons vu, une antenne relativement longue est nécessaire, et elle doit être orientée précisément vers une station de télévision ou une autre source d'énergie. Et, si la source d'énergie se déplace ou change, tous les appareils IoT correspondants doivent être réalignés. Cela va à l'encontre de tout l'objectif du déploiement de la collecte d'énergie pour l'IoT, qui est d'éviter la tâche d'accès physique au dispositif alimenté. Les exigences liées à l'antenne rendent à elles seules la collecte d'énergie à distance pour les appareils portables impraticable.

Lorsque l'on considère que l'incidence de l'énergie solaire est bien supérieure à la quantité de RF permise dans les zones de population générale partout dans le monde développé, il est difficile de justifier le déploiement. De plus, la situation n'est pas susceptible de changer, car il existe une limite à la quantité de puissance RF pouvant être présente dans un espace accessible au grand public. En fait, les limites sont susceptibles d'être réduites, car l'exposition aux RF est examinée avec inquiétude en raison des risques potentiels pour la santé des personnes.

Lorsque l'on considère que l'incidence de l'énergie solaire est bien supérieure à la quantité de RF permise dans les zones de population générale partout dans le monde développé, il est difficile de justifier le déploiement. De plus, la situation ne risque pas de changer, car il existe une limite à la quantité de puissance RF pouvant être présente dans tout espace ouvert au public. En fait, les limites risquent d'être encore réduites, car l'exposition aux RF est examinée avec inquiétude en raison des risques potentiels pour la santé des personnes.

Les partisans de la récolte d'énergie RF à distance pour les appareils IoT affirment que cette approche pourrait être utile pour alimenter un capteur à distance dans une zone urbaine. Cependant, comme nous l'avons constaté, une antenne relativement longue est nécessaire, et elle doit être orientée de manière précise vers une station de télévision ou une autre source d'énergie. Et si la source d'énergie se déplace ou change, tous les appareils IoT correspondants doivent être réalignés. Cela va à l'encontre de l'objectif même de déployer la récolte d'énergie pour l'IoT, qui est d'éviter la tâche d'accéder physiquement à l'appareil alimenté. Les exigences en matière d'antenne rendent à elles seules la récolte d'énergie à distance pour les appareils portables impraticable.

Solutions de récupération d'énergie RF

RF dirigé pour la récupération d'énergie

Il existe des situations où un capteur est déployé dans une zone difficile d'accès ou peut-être que la zone elle-même est dangereuse pour les humains. Dans ces cas, une méthode a été développée selon laquelle un capteur est alimenté non pas par la collecte d'énergie aléatoire, mais par la récupération d'énergie spécifiquement ciblée sur le capteur. Au lieu de dépendre des incertitudes d'une antenne difficile ou de la présence ou de l'absence d'un signal TV, un technicien peut diriger un transmetteur RF sur l'unité depuis une distance sécuritaire.

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 transmetteur et un récepteur RF, une antenne, et une carte de charge pour exploiter l'énergie transmise. Et bien sûr, un autre domaine important à explorer est le RFID.

RFID - Identification par fréquence à distance

L'identification par radiofréquence, ou RFID, utilise des signaux d'ondes radio pour identifier un objet étiqueté. Le dispositif qui lit l'étiquette l'expose à un signal RF qui remplit deux fonctions. Premièrement, l'étiquette—un minuscule dispositif électronique—« capte » l'énergie RF incidente, qu'elle utilise pour s'alimenter. Ensuite, l'étiquette, qui contient des informations d'identification numériques stockées, transmet ces données au lecteur.

Le lecteur connaît maintenant l'identité de l'article qu'il a scanné. Les étiquettes peuvent être très petites par rapport aux étiquettes de codes-barres visuels. De plus, un commis humain peut effectuer l'identification à distance, et cette méthode se prête facilement à l'automatisation.

Praticité de la puissance RF

Donc, à moins que vous ne conceviez un régime IoT ou wearable pour fonctionner dans le même bâtiment qu'un émetteur de télévision, les preuves conduisent fortement à la conclusion qu'il s'agira d'un effort quichottesque et finalement impraticable. En revanche, il existe des situations où la récupération d'énergie RF à partir d'ondes radio spécifiquement dirigées peut être tout à fait pratique.