Systèmes de récupération d'énergie pour l'alimentation de capteurs autonomes pour l'aéronautique

Energy recovery systems for the supply of autonomous sensors for aeronautics

• Auteur / Autrice : Paul Durand-Estèbe
• Direction : Jean-Marie Dilhac, Marise Bafleur, Vincent Boitier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Composants et Systèmes de gestion de l'Energie
• Date : Soutenance le 11/05/2016
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Génie Electrique, Electronique et Télécommunications
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes - Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes [Toulouse] / LAAS
• Jury : Président / Présidente : Langis Roy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Marie Dilhac, Marise Bafleur, Vincent Boitier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Skandar Basrour, Vasic Dejan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes autonomes en énergie

Conservation de l'énergie

Conversion photovoltaïque

Thermoélectricité

Mots clés libres

Récupération d’énergie

Thermoélectricité

Photovoltaïque

Gestion de l’énergie

Systèmes autonomes sans batterie

Energy harvesting

Thermoelectricity

Photovoltaic

Power management

Battery-less autonomous systems

Résumé

Ces travaux portent sur la récupération et le stockage d’énergie pour l’alimentation de capteurs sans fil dans un contexte aéronautique. Dans un premier temps, nous présentons la problématique particulière de l’alimentation des capteurs sans fil dans un tel domaine et dressons un état de l’art des différentes technologies de stockage et de récupération pouvant répondre à ce besoin. Dans un deuxième temps, à travers l’étude et la réalisation de deux récupérateurs, nous montrons les possibilités qu’apporte cette technologie et détaillons les contraintes de conception qu’impose le milieu afin d’obtenir une alimentation robuste et fiable. Le premier récupérateur présenté est une alimentation photovoltaïque située sur l’extrados de l’aile d’un A321 alimentant des bandes de capteurs sans fil proches. Le système fournit 2 watts, fonctionne par temps couvert et résiste aux températures fortement négatives (-50°C) et aux basses pressions (200hPa) qui sont rencontrées à l’altitude de croisière de cet appareil. Le deuxième récupérateur est une alimentation thermoélectrique placée dans le mât réacteur d’un A380 pour alimenter un système de capteurs dédié à la surveillance de l’état de structure. Le système résiste aux températures élevées (300°C) et aux importantes vibrations de la zone d’installation et produit l’énergie nécessaire à l’alimentation du système de capteurs. Les choix et les étapes de conception ayant menés aux deux systèmes sont détaillés, tant au niveau de l’assemblage mécanique que des circuits électroniques.

This work deals with energy harvesting and storage to power aircraft embedded wireless sensors. First, we discuss the issue of powering wireless sensors in an aircraft and we present a state of the art of the various energy harvesting and storage technologies that could be used. Then, through the design and construction of two harvesters, we show the possibilities offered by this technology and we explain the design constraints imposed by the application to get a reliable and robust power supply. The first harvester is a photovoltaic power supply located on the upper surface of an A321’s wing supplying a wireless sensors belt nearby. The systems provides 2 watts to the load, works with cloudy weather and is highly resistant to negative temperature (-50°C) and low pressure (200hPa) that are met at aircraft cruising altitude. The second harvester is a thermoelectric power supply located in an A380 pylon supplying a structural health monitoring system. The harvester is highly resistant to high temperature (300°C) and severe vibrations of the installation area and manages to generate the required energy to supply the structural health monitoring sensors. Mechanical and electronic design steps and choices that led to both harvesters are detailed and discussed.