Brevet FR2969421A1 — publié le 20120622

-1- DISPOSITIF DE GENERATION D'ENERGIE ELECTRIQUE Domaine Technique La présente invention concerne un dispositif de récupération d'énergie, 5 permettant la conversion d'une énergie disponible sous forme de chaleur, en une énergie électrique. Elle trouve une application particulière mais non exclusive dans le domaine de l'électronique, en permettant la récupération d'énergie dissipée par des 10 composants ou des montages électroniques. Dans la suite de la description, elle sera décrite de manière plus détaillée pour cette application, mais elle peut également être associée avec différentes autres sources de chaleur (tels que par exemple des chaudières, des équipements industriels, des moteurs, etc...) et peut être combinée de manière générale avec tout dispositif de récupération d'énergie, 15 par exemple solaire, vibratoire ou thermique. Arrière plan de l'invention De façon générale, les systèmes électroniques, et en particulier les 20 composants électroniques sont le siège de courants électriques qui provoquent par effet Joule des dissipations d'énergie sous forme de chaleur. Cette dissipation d'énergie réduit le rendement des composants, et il est souhaitable de récupérer toute ou partie de cette énergie pour améliorer le bilan 25 énergétique d'un système incorporant des composants électroniques. Diverses solutions ont d'ores et déjà été proposées, qui fonctionnent sur des principes physiques différents. 30 Ainsi, on a décrit des systèmes utilisant des moteurs dits « thermo acoustiques », qui convertissent un flux d'air au contact de la source chaude en une 2969421 -2- onde mécanique stationnaire. Cette onde mécanique est ensuite appliquée à un système piézoélectrique qui délivre ainsi une énergie sous forme électrique. De tels systèmes paraissent difficiles à optimiser et ne sont apparemment pas 5 réellement compatibles avec un emploi dans le domaine de la microélectronique, où les facteurs d'échelle imposent des contraintes de dimensionnement. Par ailleurs, on connaît également des systèmes qui fonctionnent sur le principe des turbines électromécaniques. La chaleur captée est utilisée pour 10 provoquer un changement de phase d'un fluide dont la phase gazeuse entraîne une pièce rotative, qui est elle-même liée à un générateur électromécanique délivrant ainsi une énergie de type électrique. De tels systèmes présentent des rendements généralement peu élevés, et sont 15 la source de phénomènes d'usure, dus au fait que la récupération d'énergie est essentiellement liée à la mise en mouvement de pièces rotatives, et sont surtout difficilement miniaturisables. On connaît également des systèmes qui fonctionnent en utilisant des effets 20 thermoélectriques, ou effet Seebeck. Ces dispositifs présentent l'avantage de ne pas avoir de pièces mécaniques en mouvement. Cependant, pour obtenir des rendements satisfaisants, le choix de matériaux susceptibles de générer cet effet thermoélectrique est relativement réduit. Ces matériaux sont généralement difficilement compatibles avec les contraintes imposées dans les procédés 25 employés dans la microélectronique, pour réaliser des composants à base de matériaux semi-conducteurs. Résumé de l'invention Il serait donc souhaitable de pouvoir bénéficier de dispositifs de récupération 30 d'énergie qui présentent des rendements satisfaisants, tout en étant compatibles avec les technologies employées pour la réalisation de composants électroniques, afin de pouvoir intégrer de manière plus ou moins intime les dispositifs de 2969421 -3- récupération d'énergie aux composants électroniques, ou encore de les combiner de manière générale avec tous dispositifs de récupération d'énergie, par exemple solaire, vibratoire ou thermique. Il serait également utile que le dispositif de récupération d'énergie présente des modes de fonctionnement dans lequel le minimum de pièces soit mobile, pour ne pas subir des phénomènes d'usure. Ainsi, pour atteindre tout ou partie de ces buts, selon un mode de réalisation 10 de l'invention, le dispositif de génération d'énergie électrique à partir de la chaleur dissipée par une source chaude comporte : ^ un condensateur comprenant deux électrodes entre lesquelles est présent un matériau ferroélectrique, ce condensateur étant apte à capter tout ou partie de l'énergie dissipée par la source chaude ; 15 ^ un élément capacitif dont une première électrode est reliée à une première électrode dudit condensateur ; ^ un circuit de récupération interposé entre la seconde électrode du condensateur et la seconde électrode de l'élément capacitif, ce circuit étant apte à être traversé par le courant circulant entre ces secondes 20 électrodes. Ainsi, lorsque le condensateur subit une variation de température, sa permittivité électrique varie, et une circulation de charges apparaît entre ce condensateur et l'autre élément capacitif qui lui est relié en parallèle. Dans un mode de réalisation particulier, la première électrode du condensateur et la première électrode de l'élément capacitif peuvent être confondues, et être ainsi formées par une couche métallique commune. 30 Dans un mode de réalisation spécifique, le condensateur incluant le matériau ferroélectrique et l'élément capacitif peuvent être superposés, et avantageusement partager une électrode. 25 2969421 -4- Selon un mode de réalisation particulier, le matériau ferroélectrique du condensateur peut être séparé des électrodes du condensateur par une ou plusieurs couches de matériaux diélectriques. Dans une forme de réalisation, le dispositif peut également comprendre un mécanisme adapté pour déplacer le condensateur incluant le matériau ferroélectrique par rapport à la source chaude. Un tel déplacement assure donc de manière positive une variation de la température du matériau ferroélectrique du condensateur dans le cas où la dissipation d'énergie par la source chaude est constante. Dans une forme de réalisation particulière, ce mécanisme peut posséder au moins un bras mobile entre deux positions, le condensateur incluant le matériau ferroélectrique étant plus proche de la source chaude dans l'une des deux positions. Dans une forme d'exécution particulière, les bras de ce mécanisme peuvent être constitués par des bilames, de sorte que la chaleur dissipée par la source chaude provoque la déformation des bilames sans apport d'énergie extérieure autre que la chaleur absorbée par les bilames. Toutefois, il est également possible que le mouvement des bras soit engendré par un actionneur particulier, utilisant une source d'énergie spécifique, qui peut par exemple être alimentée par la récupération d'énergie effectuée via le condensateur à matériau ferroélectrique. Avantageusement, les deux positions entre lesquelles se déplacent les bras du mécanisme sont les deux seules positions d'équilibre stable de l'ensemble, de sorte que le condensateur se trouve pour l'essentiel du temps dans l'une des deux positions d'équilibre, soit à proximité, soit le plus éloigné de la source chaude. 5 2969421 -5- Dans un mode de réalisation privilégiée, la température de Curie du matériau ferroélectrique est située entre la température de la source chaude et la température ambiante régnant dans le volume où se déplace le condensateur. 5 En d'autres termes, on peut tirer avantage à ce que, dans son cycle de fonctionnement, la température du matériau ferroélectrique varie en passant par la température de Curie, à laquelle sa permittivité diélectrique atteint un maximum. Avantageusement, le dispositif peut comporter un circuit de charge adapté 10 pour transférer une charge électrique au condensateur ou à l'élément capacitif, et en particulier pour compenser les phénomènes de fuite. En pratique, le dispositif de génération de l'énergie peut être utilisé individuellement, ou encore être rassemblé par sous-ensembles de matrices de 15 condensateurs/éléments capacitifs, avec un ensemble de connexions permettant de récupérer de façon commune et globale l'énergie générée. Description sommaire des dessins Certaines caractéristiques de l'invention, ainsi que les avantages qui en 20 découlent, ressortiront bien de la description des modes de réalisation qui suivent, à l'appui des figures annexées données à titre d'exemple non limitatif, et dans lesquels : ^ la figure 1 est un schéma en perspective sommaire montrant un dispositif de récupération d'énergie selon un premier mode de 25 réalisation ; ^ la figure 2 est une courbe illustrant la variation de la permittivité électrique d'un matériau ferroélectrique en fonction de la température ; ^ la figure 3 est un schéma en perspective sommaire illustrant un dispositif de génération d'énergie électrique selon un mode de 30 réalisation ; ^ les figures 4 à 7 sont des vues en coupe schématique d'un dispositif de génération intégrant un mécanisme de déplacement par rapport à la -6- source chaude, montré selon quatre étapes d'un cycle de fonctionnement ; ^ la figure 8 est une vue en perspective sommaire schématique d'un ensemble de dispositifs de génération d'énergie électrique. Bien entendu, les formes et les dimensions des éléments représentés aux figures ont été choisies pour faciliter la compréhension de l'invention, et peuvent être exagérées, ou s'éloigner de la réalité. 10 Description détaillée Tel qu'illustré à la figure 1, le dispositif de génération d'énergie électrique comporte un condensateur 2, un élément capacitif 3 et un circuit de récupération 4, interposé entre une électrode 21 du condensateur 2 et une électrode 31 de l'élément capacitif 3. 15 Plus précisément, le condensateur 2 présente deux électrodes 21, 22 en regard. Entre ces électrodes 21, 22 est présente une couche 23 en un matériau ferroélectrique. Ce matériau ferroélectrique peut par exemple être du titanate de baryum (BaTiO3) ou du titanate de plomb (PbTiO3), ou plus généralement d'autres 20 oxydes ferroélectriques de structure pérovskite. Dans la forme illustrée à la figure 1, le matériau ferroélectrique présent dans le condensateur 2 est isolé des électrodes 21, 22 par des couches diélectriques 24, 25. Une telle disposition permet d'éviter le contact entre le matériau 25 ferroélectrique 23 et le métal des électrodes 21, 22, ce qui peut être avantageux vis-à-vis du procédé de fabrication. Toutefois, ces couches d'isolation peuvent ne pas être nécessaires en fonction de certains choix technologiques. L'élément capacitif 3 est quant à lui de conception traditionnelle, c'est-à-dire qu'il présente un matériau diélectrique 33 séparant ces électrodes 31, 32 qui 30 2969421 -7- présente une permittivité électrique qui ne varie pas avec la température ou en tout cas dans une bien moindre mesure que celle du matériau ferroélectrique 23. Tel qu'illustré à la figure 1, le condensateur et l'élément capacitif 3 sont 5 reliés entre eux. Plus précisément, une première électrode 22 du condensateur 2 est reliée directement à une première électrode 32 de l'élément capacitif 3. Complémentairement, la seconde électrode 21 du condensateur 2 est reliée à un circuit de récupération 10, qui est lui-même relié à la seconde électrode 2 de l'élément capacitif 3. Un circuit de charge 5 est également connecté aux électrodes 22, 32 interconnectées et à la seconde électrode 31 de l'élément capacitif (dans la forme illustrée, ou du condensateur dans une forme non illustrée). Ce circuit de charge 5 permet de charger le condensateur 2 et l'élément capacitif 3 de façon commandée, ou à tout moment du fonctionnement lorsque cela est nécessaire. Un dispositif de contrôle/commande est associé à l'ensemble condensateur/élément capacitif circuit de charge 5 de manière à assurer au moment opportun la recharge de l'élément capacitif et du condensateur, lorsque le niveau de charge, et donc la tension, descend au-dessous d'un seuil prédéfini, du fait des phénomènes de fuite intervenant au travers des matériaux diélectriques et ferroélectriques. Ainsi, en mode de fonctionnement, lorsque le condensateur 2 et l'élément capacitif 3 sont chargés, la liaison entre leurs premières 22, 32 et secondes 21, 31 électrodes respectives fait que la tension qui règne entre leurs électrodes est constante. Le condensateur 2 est disposé à un endroit qui lui permet de capter tout ou partie de la chaleur dissipée par une source chaude. Il peut s'agir d'un positionnement au contact de la source chaude, de sorte que la chaleur est transmise par conduction éventuellement par rayonnement. Le dispositif, et en 2969421 -8- particulier le condensateur 2 peuvent être également situés à une certaine distance de sorte que la chaleur lui parvient par convection et/ou rayonnement également. Des agencements complémentaires peuvent être également employés pour 5 permettre l'acheminement de la chaleur depuis la source chaude jusqu'au condensateur, sans que ce dernier n'ait à être à proximité directe de la source chaude, dès lors que le transfert de la chaleur est assuré. L'invention utilise les propriétés des matériaux ferroélectriques qui 10 présentent une permittivité électrique qui varie avec la température, comme illustré à la figure 2. En effet, un matériau ferroélectrique présente des propriétés spécifiques de polarisation spécifiques en dessous d'une température dite température de 15 Curie Tc. Au-delà de cette température, le matériau perd ses propriétés ferroélectriques, pour se trouver dans une phase paraélectrique. Comme illustré à la figure 2, la permittivité électrique d'un tel matériau présente un pic 9 marqué au niveau de la température de Curie Tc. Le fonctionnement du dispositif peut être résumé comme suit. Lorsque le condensateur 2 et l'élément capacitif 3 sont chargés, par l'activation du circuit de charge 5, la même tension règne alors entre leurs 25 électrodes 21, 22, 31, 32, à la différence près de la tension aux bornes du circuit de récupération 4. A une valeur de température donnée, le matériau ferroélectrique présente une permittivité correspondante, et le condensateur possède alors une capacité Cl 30 donnée. Les charges présentes sur les électrodes du condensateur 2 et de l'élément capacitif 3 se répartissent à proportion leurs capacités respectives. 20 -9- Lorsque la température du matériau ferroélectrique du condensateur 2 évolue, sa permittivité électrique varie, et la valeur de capacité du condensateur 2 évolue également. La répartition des charges entre le condensateur 2 et l'élément capacitif se modifie en conséquence. Il s'ensuit qu'un courant est généré entre la seconde électrode 21 du condensateur 2 et la seconde électrode 31 de l'élément capacitif 3. La variation de capacité du condensateur 2 est d'autant plus importante que 10 lors de sa variation, la température du matériau ferromagnétique transite par la température de Curie, où le matériau présente un maximum de permittivité électrique. C'est pourquoi dans la mesure du possible, on choisira un matériau 15 ferroélectrique qui possède sa température de Curie à proximité de la température de fonctionnement du système auquel est adjoint le dispositif de génération d'énergie. A titre d'exemple, les matériaux ferroélectriques à base de titanate de 20 baryum, ou titanate de plomb présentent une température de Curie comprise entre 100 et 120° C qui correspond sensiblement à la température relevée dans les composants électroniques traditionnels, en fonctionnement classique. Dans la forme de réalisation illustrée à la figure 3, le condensateur 2 incluant 25 le matériau ferroélectrique 23 et l'élément capacitif 3 sont réalisés de manière superposée, de telle sorte qu'ils partagent leur électrode commune 29. Les deux électrodes situées en dessus et en dessous de l'empilement sont des électrodes entre lesquelles est interposé le circuit de récupération. 30 Une telle configuration peut avantageusement être employée dans la forme de réalisation illustrée aux figures 4 à 7. 2969421 -10- Ainsi, les sous-ensembles incluant le condensateur à un matériau ferroélectrique et l'élément capacitif sont représentés comme l'élément rectangulaire 50, qui est inséré à l'intérieur d'un logement 53 formé entre deux parois 51, 52. Une première paroi 51 peut par exemple être au contact de la source 5 chaude, tandis que la seconde paroi 52 est au contact avec le milieu ambiant, ou plus généralement avec un milieu à une température différente de la source chaude. Dans cette configuration, on agencera le condensateur incluant le matériau ferroélectrique de préférence dans la partie basse du sous-ensemble 50, de manière à ce qu'il soit le plus proche de la source chaude. Entre ces deux parois 51, 52, le logement 53 présente une section (mesurée parallèlement aux parois) qui est croissante jusqu'à mi-hauteur pour ensuite diminuer jusqu'à la paroi opposée. A l'intérieur de ce logement 53, l'ensemble 50 formé du condensateur et de l'élément capacitif est maintenu par deux bras 55, 56. Chaque bras 55, 56 présente une extrémité 61, 62 qui vient au contact de l'ensemble 50 condensateur/élément capacitif, et une extrémité 63, 64 opposée qui prend appui au niveau du fond 74, 75 de la zone de plus forte section, c'est-à-dire dans la zone où les flancs inclinés 70, 71, 72, 73 du logement forment une arête. Ces bras peuvent également supporter les connexions électriques du condensateur et de l'élément capacitif au circuit de récupération et au circuit de charge. Avantageusement, les flancs 70-73 coupent les parois supérieure 52 et inférieure 51 de telle sorte qu'ils libèrent sur ces parois un espace 76, 77 au moins aussi large que l'ensemble 50 condensateur/élément capacitif, afin que le condensateur 2 vienne au contact direct sur toute sa surface de la paroi liée thermiquement à la source chaude. De façon préférée, la longueur des bras 55, 56 est telle que lorsque l'ensemble 50 condensateur/élément capacitif est au contact de la paroi basse 51, 2969421 -11- les bras sont maintenus sous contrainte, de sorte que cette position constitue une position d'équilibre mécanique stable. A l'inverse, un déplacement de l'ensemble 50 condensateur/élément capacitif 5 en direction de la paroi opposée 52 nécessite la mise en flambage des bras 55, 56. Autrement dit, la largeur L du logement, mesurée à mi-hauteur, c'est-à-dire entre les arêtes 63, 64, est inférieure à la somme de la longueur des bras 55, 56 et de la largeur de l'ensemble 50 condensateur/élément capacitif. 10 En pratique, les bras 55, 56 peuvent être avantageusement réalisés à base de deux matériaux présentant des coefficients de dilatation thermique différents, de manière à former des bilames. Il peut par exemple s'agir de deux matériaux métalliques, ou encore d'un matériau métallique tel que l'aluminium combiné avec une couche de poly-silicium. 15 D'un point de vue de leur fabrication, les bras ainsi que l'élément capacitif peuvent être réalisés au cours d'un procédé enchaînant des étapes successives de création des différentes couches formant à la fois le condensateur et l'élément capacitif et les bilames, ainsi que les parois du logement. Il est également possible que l'ensemble du dispositif de génération d'énergie soit réalisé par assemblage de pièces formées individuellement. Ainsi, comme illustré à la figure 4, lorsque l'ensemble 50 25 condensateur/élément capacitif est dans une position la plus proche de la source chaude, le condensateur 2, et en particulier le matériau ferroélectrique qu'il contient, sont à une température donnée Tl. La chaleur dissipée par la source chaude provoque une élévation de température des bras 55, 56, et donc la dilatation différentielle des deux couches qui les constituent. 30 Lorsque la température au niveau des bras 55, 56 atteint un niveau prédéterminé, les bras se déforment comme illustré à la figure 5. 20 2969421 -12- Les propriétés dimensionnelles des bras 55, 56 et de l'ensemble 50 condensateur/élément capacitif font que la déformation des bilames par des phénomènes thermiques font contraindre les bras 55, 56 en flambage. Par conséquent, la position illustrée à la figure 5 n'est pas une position d'équilibre mécanique stable. Le mouvement se poursuit donc jusqu'à la configuration illustrée à la figure 6 dans laquelle les bras 55, 56 ne sont plus contraints en flambage. L'ensemble 50 condensateur/élément capacitif se retrouve alors en contact avec la paroi opposée 52 ou de façon plus générale à une distance telle de la source chaude que la température qui y règne est inférieure à celle que subit le condensateur 2 dans la configuration de la figure 4. A ce stade donc, la température du matériau ferroélectrique diminue, avec pour conséquence la modification de sa permittivité électrique et donc l'apparition d'un courant électrique que le circuit de récupération 4 évoqué ci-avant permet d'acheminer vers un organe de stockage de l'énergie électrique. Par la suite, la température des bras 55, 56 diminue également, de telle sorte que les bilames se déforment dans le sens opposé. Après un certain temps, l'ensemble 50 condensateur/élément capacitif quitte sa position d'équilibre stable pour un mouvement illustré à la figure 7. De manière symétrique au mouvement de la figure 5, l'ensemble 50 condensateur/élément capacitif aboutit à l'autre position d'équilibre stable, correspondant à la configuration de la figure 4. 30 A titre d'exemple, l'ordre de grandeur de capacité d'un élément capacitif d' l µF, correspond sensiblement à la capacité d'un condensateur MOS d'un centimètre carré, avec une couche de matériau diélectrique du type SiO2 de 5 10 15 20 25 2969421 -13- 4 nanomètres d'épaisseur. Pour une tension initiale aux bornes du condensateur 2 et de l'élément capacitif 3 de l'ordre de 5 Volts, et dans l'hypothèse où la valeur de capacité du condensateur varie entre celle de l'élément capacitif, et le double de cette valeur, le courant moyen qui circule entre les électrodes 21, 31 du 5 condensateur 2 et de l'élément capacitif 3 est de l'ordre du micro ampère. La puissance moyenne qui peut être ainsi récupérée est de l'ordre de quelques microwatts dans l'hypothèse d'un cycle durant une seconde. Le dispositif de génération d'énergie électrique décrit ci-avant peut être 10 utilisé de différentes manières et en particulier comme illustré à la figure 8, en associant une pluralité de cellules élémentaires 80-82 telles que décrites aux figures 4 à 7. Ces cellules élémentaires peuvent être, dans un mode de réalisation, 15 combinées de telle sorte qu'elles alimentent une charge commune tel que par exemple un organe de stockage d'énergie commun. Bien entendu, ce dispositif peut être utilisé en de multiples applications. Il peut en particulier être intégré ou associé à des composants électroniques de 20 manière à assurer une autonomie ou une durée de fonctionnement supérieure grâce à la récupération d'une partie de l'énergie dissipée sous forme de chaleur. Il peut également être associé avec différentes autres sources de chaleur qui peuvent être rencontrées dans le domaine des transports, de l'automobile notamment. 25 Ce dispositif peut également être combiné avec des systèmes de récupération d'énergie solaire, ou de manière générale de tout dispositif de récupération d'énergie thermique. REVENDICATIONS1/ Dispositif (1) de génération d'énergie électrique à partir de la chaleur dissipée par une source chaude, comportant : ^ un condensateur (2) comprenant deux électrodes (21, 22) entre lesquelles est présent un matériau ferroélectrique (23), ledit condensateur (2) étant agencé pour être positionné pour capter tout ou partie de la chaleur dissipée par ladite source chaude ; ^ un élément capacitif (3) dont une première électrode (32) est reliée à une première électrode (21) dudit condensateur (2); ^ un circuit de récupération (4) interposé entre la seconde électrode (21) dudit condensateur (2) et la seconde électrode (31) de l'élément capacitif (3), et apte à être traversé par le courant circulant entre lesdites secondes électrodes (21, 31). 2/ Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la première électrode du condensateur et la première électrode (29) de l'élément capacitif sont confondues. 3/ Dispositif de génération d'énergie électrique selon la revendication 2, dans 20 lequel le condensateur et l'élément capacitif sont superposés. 4/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel le matériau ferroélectrique du condensateur est séparé par des électrodes (21, 22) du condensateur (3) par une ou plusieurs couches (24, 25) de matériau diélectrique. 5/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, qui comprend également un mécanisme adapté pour déplacer le condensateur par rapport à la source chaude. 6/ Dispositif selon la revendication 5, dans lequel le mécanisme possède au moins 30 un bras mobile (55, 56) entre deux positions, le condensateur (2) étant plus proche de la source chaude dans l'une des deux positions. 25 2969421 -15- 7/ Dispositif selon la revendication 5 ou 6, dans lequel le ou les bras (55, 56) sont des bilames. 8/ Dispositif selon la revendication 6, dans lequel les deux positions desdits bras 5 (55, 56) sont les deux seules positions d'équilibre stable. 9/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la température de Curie du matériau ferroélectrique (23) est située entre la température de la source chaude et la température ambiante régnant dans le volume 10 où se déplace le condensateur. 10/ Dispositif selon l'une des revendications précédentes, qui comporte un circuit de charge, adapté pour transférer une charge (5) électrique au condensateur (2). 15 11/ Matrice de dispositifs selon l'une des revendications 1 à 10. 12/ Composant électronique intégrant un dispositif de génération d'énergie électrique selon l'une des revendications 1 à 10.