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Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 1637 (2023) Citer cet article

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Ces dernières années, la recherche sur les transducteurs et les architectures système pour les appareils auto-alimentés a attiré l'attention en raison de leur impact direct sur l'Internet des objets en termes de coût, de consommation d'énergie et d'impact environnemental. Le concept d'un nœud de capteur sans fil utilisant un seul générateur thermoélectrique comme source d'énergie et comme capteur de gradient de température de manière efficace et contrôlée est étudié. L'objectif de l'appareil est de collecter des données sur les gradients de température dans les centres de données afin de permettre l'application d'algorithmes de gestion de la charge des serveurs sensibles à la température. En utilisant un algorithme de suivi du point de puissance maximale, le point de fonctionnement du générateur thermoélectrique est maintenu sous contrôle tout en utilisant sa fonction de transfert puissance-température pour mesurer le gradient de température. De cette manière, une mesure plus précise du gradient de température est obtenue tout en récupérant de l’énergie avec une efficacité maximale. Les résultats montrent le fonctionnement du système à travers ses différentes phases et démontrent sa capacité à récupérer efficacement l'énergie d'un gradient de température tout en le mesurant. Avec cette architecture système, les gradients de température peuvent être mesurés avec une erreur maximale de 0,14 \(^{\circ }\)C et une efficacité supérieure à 92 % pour des valeurs supérieures à 13 \(^{\circ }\)C et un seul transducteur.

Des phénomènes tels que l’Internet des objets (IoT)1 ou les réseaux de capteurs sans fil (WSN)2 envisagent l’installation d’un nombre de capteurs allant de plusieurs centaines, voire plusieurs milliers2. Dans ces réseaux, l’intérêt réside dans l’alimentation autonome des différents nœuds capteurs. La solution la plus directe et la plus répandue consiste à utiliser des piles. Mais cela présente deux inconvénients principaux : (1) une augmentation du coût d’exploitation et de maintenance du nœud, et (2) un impact environnemental important à chaque fois qu’une batterie est jetée. Ceci, multiplié par des centaines de nœuds de capteurs, rend discutable la durabilité à long terme du réseau. Ainsi, alimenter le nœud localement par récupération d’énergie, permettant l’Internet des objets sans batterie (IoBT)3, est une meilleure alternative. Pour assurer la viabilité énergétique de ces dispositifs, deux manières sont utilisées dans le nœud : (1) réduire le nombre de composants et (2) réduire le calcul. La première stratégie est claire : réduire le nombre de composants à utiliser signifie moins de composants à alimenter et donc moins de consommation4. La deuxième stratégie consiste à réduire le calcul dans le nœud5. Cependant, réduire le calcul au niveau du nœud afin de rendre possible son auto-alimentation ne résout pas le problème, mais le déplace plutôt vers un autre emplacement. Dans ce cas, il est déplacé vers des centres de données.

Ils voient leur activité accrue en raison d'un volume toujours croissant de données à stocker et d'une activité informatique toujours croissante pour traiter cette énorme quantité de données qui conduisent à des besoins énergétiques attendus pouvant atteindre 1287 TWh en 20306. L'objectif dans ces centres est de réduire le coût énergétique de leur refroidissement ou, en d’autres termes, de réduire le rendement énergétique (PUE). Le PUE est une norme de mesure de l'efficacité de la consommation d'énergie dans les centres de données définie par The Green Grid7 et est définie comme :

Dans un scénario idéal, le PUE serait de 1 et toute l’énergie utilisée dans les centres de données serait utilisée uniquement pour alimenter les serveurs. Cependant, ce n’est pas le cas et une énergie supplémentaire est nécessaire pour alimenter les systèmes tels que le refroidissement, la surveillance, l’éclairage, etc. Par exemple, les centres de données de Google ont un PUE sur 12 mois de 1,11 en 20208, celui de Microsoft de 1,125 en 20159. , Amazon a déclaré un PUE de 1,2 en 201410, et une enquête menée en 2019 a révélé un PUE moyen pour les autres entreprises de 1,6711. Dans le but d'améliorer le PUE actuel dans les centres de données, cet article présente un nœud de capteur sans fil qui utilise un générateur thermoélectrique (TEG) pour collecter l'énergie dégagée sous forme de chaleur par une unité de microcontrôleur (MCU) dans un centre de données. Simultanément, en utilisant le même TEG, il surveille le gradient de température entre le MCU et son environnement. Cela permet de surveiller la température ambiante dans le centre de données avec une granularité fine qui permet la mise en œuvre d'algorithmes de gestion de la charge des serveurs sensibles à la température12. Le déploiement d'un réseau de capteurs sans fil et sans batterie et la mise en œuvre d'algorithmes de gestion de la charge des serveurs sensibles à la température sont deux voies permettant d'améliorer le PUE. Les données sont envoyées sans fil avec LoRaWAN tandis que l'énergie est extraite efficacement du TEG à l'aide d'un algorithme de suivi du point de puissance maximale (MPPT).