Le pouls du temps
Les batteries alimentent les montres et autres objets portatifs. Mais cette énergie est en fait déjà disponible sur vous. La mission que s’est donnée une start-up suisse est de la récupérer : Mithras Technology AG développe des systèmes qui transforment la chaleur du corps humain en énergie électrique. Les simulations avec Ansys fournissent de précieuses informations.
Ne plus jamais avoir besoin de remplacer ou de recharger la pile d'une montre ? C'est ce qu’implique la technologie développée par Mithras, qui convertit la chaleur du corps en énergie électrique. Les appareils portables à faible consommation d'énergie peuvent être alimentés de manière autonome, et les avantages sont plus pertinents que jamais. Les batteries deviennent obsolètes dans ce segment, et éliminent l’empreinte CO2 liée à leur cycle de vie - de l'achat des matériaux à la production, l'emballage, le transport et l'élimination ou le recyclage.
Comment l'énergie électrique est-elle générée à partir de la chaleur corporelle ?
Générer de l'énergie électrique à partir de la chaleur du corps est en fait inefficace. Mais que vous le vouliez ou non, le corps humain rayonne en moyenne 100 W d'énergie thermique chaque jour, et chaque μW qui en est extrait est une énergie 100 % propre. Donc, c'est payant !
Tw est la température absolue du côté chaud et Tk celle du côté froid. Tw est de l'ordre de 305 K aux températures normales de la peau. Pour un ΔT de 1 K, la puissance maximale réalisable est de 0,3 %. La conversion de l'énergie thermique en énergie électrique est réalisée par un générateur thermoélectrique (TEG). Sa fonction est essentielle, mais le TEG réduit le rendement à 0,1 %. Si toute la surface du corps est utilisée, il resterait encore 100 mW. Bien entendu, seule une petite partie de la surface du corps peut être utilisée. Il s'agit donc de maximiser le ΔT afin d'obtenir le plus d'énergie possible.
Le Watch Project : le moment idéal pour se passer de batterie
À mesure que l'efficacité du processus de conversion augmente, le potentiel que cette technologie devienne un « game changer » pour les fabricants de « wearables » augmente également, et l'industrie en a pris note. Un grand acteur de l'industrie horlogère a approché Mithras avec des idées spécifiques afin de déterminer, entre autres, comment elles peuvent être mises en œuvre dans une étude.
La question à clarifier était basée sur l'exemple d'un produit typique de l'assortiment du fabricant :
- Un fonctionnement autonome par la chaleur corporelle est-il possible si l'énergie nécessaire aux fonctionnalités de la montre est de 10 μW ?
- Quel TEG est recommandé en considérant que l'épaisseur totale de la montre ne doit augmenter que marginalement au maximum et que le design distinctif de la marque de montres doit être préservé ?
… développe des systèmes de production d'énergie par la chaleur corporelle. Les clients sont des fabricants d'appareils portables et portables à faible consommation d'énergie. Mithras est parrainé par CADFEM International et participe à des projets avec des fabricants de montres renommés.
Simulation basée sur les valeurs mesurées
L'équipe de Mithras a utilisé une approche à deux volets pour répondre à ces questions : tout d'abord, la voie conservatrice d'un modèle fonctionnel basé sur la physique, et ensuite, à partir de ce modèle, ils ont dérivé un modèle de simulation et une analyse numérique dans Ansys Workbench.
L'idée derrière cette stratégie est claire. Si les valeurs déterminées correspondent largement, on peut supposer qu'elles sont correctes. Dans le même temps, la qualité des résultats calculés est confirmée, ce qui permet à Mithras de fournir à ses clients des déclarations fiables et des outils de décision individualisés pour la mise en place de la technologie via des simulations de manière extrêmement rapide, flexible et économe en ressources pour les projets ultérieurs.
Une technologie qui vous colle à la peau
Outre les dimensions géométriques de la montre et l'encombrement du TEG, la connaissance du comportement thermique de la peau est un facteur crucial. Parmi les nombreuses inconnues qui interviennent dans ce calcul, une valeur est certaine - la température centrale du corps est de 37°C. Mais cela peut aussi devenir complexe car la conductivité thermique de la peau peut varier extrêmement en fonction de l'âge, du sexe, de la génétique ou du niveau d'activité physique d'une personne.
La peau sous le microscope des ingénieurs
Le Dr Moritz Thielen est le conseiller scientifique de Mithras. Lors de sa thèse à l'ETH Zurich, il a travaillé intensivement sur la conductivité thermique de la peau humaine. Avec ses recherches, il a effectué un travail préliminaire important pour la solution de ce défi central. Il a mesuré, évalué et documenté la conductivité thermique de la peau d'un grand nombre de sujets pendant diverses activités. Au sein de cette population extrêmement hétérogène, M. Thielen a calculé la valeur médiane de tous les sujets testés pour les activités respectives.
Cependant, d'autres aspects importants doivent également être pris en compte dans le modèle. Par exemple, la plupart des gens ne portent pas leur montre serrée sur le poignet, car cela provoquerait une sensation de pression désagréable. Cela entraîne une réduction de la quantité de transfert de chaleur entre la montre et la peau. Thielen a également déterminé cette valeur pour le transfert thermique en fonction de la pression de contact.
Valeurs mesurées à partir de l'échantillon fonctionnel comme référence
L'échantillon fonctionnel pour la mesure expérimentale de la constellation consiste en un "sandwich" d'une plaque de base en aluminium (collecteur), d'un double TEG et d'un disque en aluminium (plaque de refroidissement). Il est maintenu ensemble par huit vis en polyamide. Un bracelet de montre est fixé au collecteur. La plaque de refroidissement a été peinte en blanc pour augmenter le coefficient d'émission.
Sur cette base, la première étape a été de réaliser une étude préliminaire afin de vérifier s'il est possible de créer un modèle de simulation dans Ansys Workbench qui reflète les valeurs mesurées.
Études préliminaires pour la simulation
À l'aide du modèle, une analyse thermique transitoire a été réalisée pour calculer la distribution de la température dans Ansys, et les résultats de la simulation ont été comparés à ceux de la mesure. Dans le modèle de simulation, d'autres hypothèses idéalisées et réalistes ont dû être faites simultanément. L'intérieur de la peau a été défini comme une source thermique avec une température constante de 37°C. Les valeurs habituelles de rayonnement et de convection ont été définies pour la libération de la chaleur dans l'environnement. Pour les coefficients d'émission de la surface vers l'environnement ou vers les surfaces opposées, il a été décidé d'utiliser des valeurs conservatrices plutôt faibles pour les surfaces métalliques.
On a attribué à la peau (ainsi qu'à la couleur blanche) un coefficient d'émission proche de 1. Pour la convection, on a supposé que l'air était immobile. Le transfert de chaleur entre la peau et le capteur a été représenté dans le modèle par des contacts spécialement définis. Une valeur de conductivité thermique manuelle a été attribuée à ces contacts.
La température à l'état d'équilibre est légèrement inférieure à celle de la mesure de la conductivité thermique de la peau, qui correspond à la médiane de l'étude de Thielen. Comme le sujet (le porteur de l'échantillon fonctionnel) a une peau dont la conductivité thermique est supérieure à la moyenne par rapport aux autres membres de l'équipe, la simulation a été répétée avec une conductivité plus élevée. Les conditions du modèle ainsi définies constituaient une bonne représentation de l'équilibre thermique dans le monde réel. La différence au début de la période de comparaison pourrait être attribuée à l'application du modèle fonctionnel sur la main, car cela ne se produit pas instantanément dans le temps comme dans la simulation.
Reinhard Müller-Siebert
Head of Engineering, Mithras Technology AGEn tant que développeur de produits, j'ai plus de 15 ans d'expérience avec les simulations dans divers domaines. Il est toujours fascinant de voir quelles informations sont obtenues par des simulations, alors qu’elles resteraient cachées avec une simple approche par essais et erreurs. Passer par différentes variantes, comme c'est le cas ici avec Mithras, est très utile et rapide. Ansys offre la boîte à outils optimale pour cela.
Modèle paramétrique de la montre
Après cette étude préliminaire, le modèle de simulation de la montre a été créé, bien que les valeurs matérielles de la peau et le contact spécial de la montre à la peau aient été repris du modèle du modèle fonctionnel.
Il existe un grand nombre de TEG différents qui pourraient être utilisés. Ils diffèrent par le nombre de thermocouples, leurs sections transversales et leurs longueurs. Par conséquent, le modèle dans Ansys a été construit de manière paramétrique avec ces trois quantités géométriques. Comme l'ensemble du modèle changeait avec ces paramètres, 60 affectations internes (dont certaines assez complexes) ont été nécessaires.
L'énergie requise de 10 μW devait également être générée lorsque le porteur était inactif. D'un point de vue thermique, cela est comparable à un régime permanent, c'est pourquoi une analyse thermique en régime permanent était également suffisante. En outre, il faut considérer que le fait de mettre la montre ne peut pas non plus être bien modélisé, comme on l'a déjà vu avec l'échantillon fonctionnel. Une analyse thermique transitoire n'apporterait donc aucune information supplémentaire pertinente.
Les sources et les rejets de chaleur dans l'environnement ont été définis de manière analogue au modèle fonctionnel. Une valeur d'émission élevée a été prise pour le verre au-dessus du cadran, car le verre est transparent dans le spectre visible mais non transparent dans l'infrarouge moyen.
Les différences de température entre les thermocouples du TEG ont été extraites des distributions de température et la puissance a été obtenue. Sur les 25 TEG, 11 ont fourni la puissance requise. Parmi ceux-ci, le TEG ayant la plus faible épaisseur a été déterminé, permettant ainsi un assemblage compact dans la montre.
Avantage des simulations par rapport aux essais et erreurs
En utilisant l'analyse thermique dans Ansys, les ingénieurs de Mithras ont calculé les distributions de température pour divers TEG en un court laps de temps. L'ensemble du processus, de la modélisation à la simulation et à l'évaluation, a été accompli en une fraction du temps habituellement nécessaire pour concevoir, construire et mesurer des échantillons fonctionnels simples. Cela démontre le grand avantage des simulations par rapport à l'approche par essais et erreurs.
Mithras Technology AG
www.mithras.tech
Auteur : Dr. Reinhard Müller-Siebert (Mithras Technology AG)
Images : © Mithras Technology AG
Publié : Septembre, 2022
