Transmission d'énergie sans fil

En 1825, William Sturgeon invente l'électroaimant, un fil conducteur enroulé autour d'un noyau de fer. Le principe de l'induction électromagnétique — un champ magnétique fluctuant induit un courant électrique dans un fil électrique — est découvert par Michael Faraday en 1831. Combinant ces deux découvertes, Nicholas Callan est le premier en 1836 à faire la démonstration d'une transmission d'une énergie électrique sans fil. L'appareil à bobine d'induction de Callan est constitué de deux bobines isolées — appelées bobinages primaire et secondaire — placées autour d'un noyau de fer. Une batterie connectée par intermittence au primaire « induit » une tension dans le secondaire, provoquant une étincelle[1] - [2].

Dans une bobine d'induction ou un transformateur électrique, qui peut avoir un cœur ferreux ou de l'air, la transmission d'énergie se fait par simple couplage électromagnétique aussi connu par le terme induction mutuelle. Avec cette méthode, il est possible de transmettre de l'énergie sur de grandes distances. Cependant, pour diriger l'énergie dans la bonne direction, les deux bobines doivent être placées suffisamment proches.

Dans le cas de couplage résonnant, où les bobines sont réglées sur la même fréquence, une puissance significative peut être transmise sur plusieurs mètres.

En 1864, James Clerk Maxwell réalise une modélisation mathématique du comportement des radiations électromagnétiques. En 1888, Heinrich Hertz réalise une transmission sans fil d'ondes radio, validant les modèles mathématiques de Maxwell. L'appareil de Hertz est considéré comme le premier transmetteur radio. Quelques années plus tard, Guglielmo Marconi améliore le transmetteur, en y ajoutant un conducteur élevé et une connexion à la terre. Ces deux éléments peuvent être retrouvés dans les travaux de Benjamin Franklin en 1749 et de Mahlon Loomas en 1864.

Nikola Tesla s´intéresse aussi à la transmission radio mais contrairement à Marconi, Tesla conçoit son propre transmetteur, d'une puissance instantanée cinq fois supérieure à celui de ses prédécesseurs. Tous ces systèmes utilisent au minimum quatre circuits de résonance, deux pour l'émetteur et deux pour le récepteur.

Alors que les techniques sans fil se développent au début du XX^e siècle, des recherches sont effectuées sur des méthodes de transmission alternatives. Le but était de générer un effet localement et de le détecter à distance. Des tests sont effectués sur des charges plus importantes, remplaçant les récepteurs faiblement résistifs utilisés jusqu'alors pour détecter un signal reçu. Au St. Louis World's Fair (1904), un prix est offert pour l'alimentation à une distance de 30 mètres d'un moteur de 0,1 ch (75 W)[3].

La taille des composants est déterminée par :

• la distance de transmission
• la longueur d'onde utilisée
• les lois de la physique, en particulier le critère de Rayleigh ou la limite de diffraction, utilisées dans la conception des antennes RF, ainsi que dans la conception des laser. Ces lois décrivent le comportement de rayons (micro ondes ou laser) qui vont s'affaiblir et diffuser avec la distance. Plus l'émetteur sera grand (diamètre d'une antenne, ouverture d'un laser), plus le rayon sera concentré, et moins il s'étalera en fonction de la distance (et vice-versa). Les petites antennes vont également favoriser la déperdition d'énergie par les lobes secondaires.

Les niveaux de puissance sont alors calculés en fonction de tous ces paramètres, ainsi que la somme des gains et des pertes caractéristiques des antennes, et la prise en compte de la transparence du médium dans lequel l'onde est transportée. Cette étape est connue comme étant le calcul du bilan de liaison (Link Budget)[4].

L'efficacité énergétique en charge varie selon le modèle employé. Pour les chargeurs de smartphones et matériels associés, à la norme Qi, l'efficacité est de 40 à 55 %[5] indépendamment des pertes dans l'appareil récepteur. Il faut également tenir compte de l'énergie consommée une fois la recharge terminée, qui peut atteindre dix fois la consommation de veille de la recharge par câble[5]. Par sa lenteur et ses pertes, la recharge sans fil est plutôt un complément du rechargement filaire qu'une solution menant à son remplacement[6].

Ces techniques permettent la transmission d'énergie sur une distance comparable au diamètre des éléments transmetteurs. Elle va généralement de quelques centimètres à quelques mètres.

Ces systèmes permettent l'acheminement de l'énergie sur des distances bien plus grandes que le diamètre des transmetteurs, par exemple sur plusieurs kilomètres. Jusqu'au début du XXI^e siècle, la transmission d'énergie sans fil sur courte et moyenne distances est peu exploitée (puces RFID faible puissance). La peur d'éventuels risques sanitaires concernant la transmission aérienne d'énergie est une cause de l'abandon du projet.

L'utilisation de radiations microondes directionnelles permet de limiter les risques concernant la santé et la sécurité. La maîtrise de la précision d'alignement entre l'émetteur et le récepteur est un critère déterminant pour la sécurité du système. En 2007, les recherches commencent à aboutir à des solutions concrètes, tel le système Witricité.

Récemment, de nouvelles technologies de convertisseurs à haut rendement d’énergie micro-onde en énergie électrique continue ont vu le jour permettant ainsi de récupérer un maximum d'énergie du faisceau micro-onde incident. Ces technologies s'appuient sur un système de filtrage et un redresseur, basé sur l’association originale d’un système passif d’adaptation d’impédance optimisé et d’un convertisseur spécifique. Ce type de dispositif présente un grand potentiel d’application pour l’alimentation de systèmes nomades dans le contexte du développement de l’intelligence ambiante. Cette avancée technologique donne la possibilité de récupérer assez d’énergie pour alimenter un grand nombre de petits dispositifs : étiquetage, identification, rapatriement de données d’un capteur abandonné, petits micro processeurs… et pourra donc être utilisée comme source d’approvisionnement en énergie électrique d’une multitude de micro systèmes faible consommation situés jusqu’à plusieurs mètres de la source avec un rendement de conversion jamais atteint jusqu’alors. Ces microsystèmes auront une durée de vie illimitée par rapport à ceux dotés d'éléments de stockage local d’énergie par voie électrochimique (pile). Il est aussi envisageable d'utiliser cette technologie pour recharger à distance des accumulateurs embarqués sur un système nomade ou non connecté à une source d'énergie.

• Télécommunications
• WiTricity
• Couplage (électronique)
• Centrale solaire orbitale
• Qi (standard)