Les matériaux actifs, tels que les matériaux piézoélectriques et électrostrictifs, sont couramment utilisés dans la conception de dispositifs exploitant leurs propriétés respectives. La propriété principale de ces matériaux réside dans le fort couplage entre les comportements électrique et mécanique (piézoélectricité). Dans la majorité des cas, ces matériaux sont utilisés séparément. L’utilisation combinée de ces matériaux permet la réalisation de dispositifs innovants basés sur l’effet électrostrictifs: l’apparition d’une polarisation électrique induite par une contrainte mécanique et réciproquement l’apparition d’une déformation mécanique sous l’action d’un champ électrique. Les applications « support » concernent les capteurs et les actionneurs. L’étude de ce couplage passe par la caractérisation de ces matériaux, puis par la mise en place de modèles décrivant finement leurs comportements et enfin par le développement d’outils pour la conception. L’objectif de la thèse est de remplacer le matériau céramique, rigide et à faible déformation, par un film polymère nanocomposite électroactifs, présentant des grandes déformations et forces d'actionnement sous champ électrique modéré grâce à l'incorporation dans la matrice polymère de micro et nano-objets (charge) conducteurs ou semi-conducteurs. De plus, pour des applications plus spécifiques de la récupération d’énergie, la charge du film polymère par des micro et nano-objets conducteurs sera également étudiée. Idéalement, il serait très intéressant de réaliser un matériau multifonctionnel, sensible à la fois à une stimulation mécanique (propriétés de détection et/ou de récupération d’énergie par couplage électromécanique). / In the last decades, direct energy conversion devices for medium and low grades waste heat have received significant attention due to the necessity to develop more energy efficient engineering systems. A great deal of research has in recent years been carried out on harvesting energy using piezoelectric, electrostatic, electromagnetic , and thermoelectric ,transduction, with the aim of harvesting enough energy to enable data transmission. For this purpose, piezoelectric elements have been extensively used in the past; however they present high rigidity and limited mechanical strain abilities as well as delicate manufacturing process for complex shapes, making them unsuitable in many applications. Thus, recent trends in both industrial and research fields have focused on electrostrictive polymers for electromechanical energy conversion. This interest is explained by many advantages such as high productivity, flexibility, and processability. Hence, electrostrictive polymer films are much more suitable for energy harvesting devices requiring high flexibilities, such as systems in smart textiles and mobile or autonomous devices. Electrostrictive polymers can also be obtained in many different shapes and over large surfaces. . In the last years, electrostrictive polymers have been investigated as electroactive materials for energy harvesting. However for scavenging energy a static field is necessary, since this material is isotope, there is no permanent polarization compare to piezoelectric material. A solution for avoid this problem; concern the hybridization of electrostrictive polymer with electret. Finally, the implementation of electrostrictive materials is much simpler for small-scale systems (MEMS). Hence, several studies have analyzed the energy conversion performance of electrostrictive polymers, both in terms of actuation and energy harvesting.

Ces travaux de thèse se veulent exploratoires et visent à proposer d’une part une nouvelle approche hybride piézoélectrique-polymère pour le développement de récupérateur d’énergie et d’autre part à développer des méthodes d’actionnement destinée au contrôle de forme structurelle. L’utilisation de polymères diélectriques dans les dispositifs de récupération d’énergie permet de concilier une densité énergétique élevée avec une faible rigidité et une simplicité de mise en œuvre. L’approche hybride proposée dans le cadre de ces travaux permet de s’affranchir de la source de polarisation externe en la substituant par un dispositif piézoélectrique apte à générer, sous l’action d’une contrainte mécanique, le champ électrique nécessaire au fonctionnement du dispositif. L’optimisation du transfert d’énergie entre deux systèmes supposé quelconque a d’abord été généralisée. Les travaux ont ensuite été orientés vers l’investigation de la faisabilité de l’approche hybride piezo-polymère. Les performances des dispositifs hybrides ont été évaluées expérimentalement et comparées à celles obtenues avec des récupérateurs piézoélectriques simples et avec des récupérateurs polymères à polarisation externe. Il est montré que l’utilisation d’un dispositif hybride permet de concilier les qualités des deux approches simples, à savoir la faculté d’initier le processus de conversion d’énergie grâce au champ électrique généré par l’élément piézoélectrique et d’exploiter la haute densité d’énergie des polymères. La deuxième partie de ces travaux porte sur l’utilisation de matériaux électroactifs comme dispositifs d’actionnement destinés au contrôle de forme de structures minces. L’application finale visée ici est le développement de matériau de type peau active. Différents types de polymères ont d’abord été testés et leur performances ont été comparées avec des modèles théoriques spécifiquement développés. Des structures originales ont été proposées pour solutionner certains problèmes liés à l’actionnement par polymères diélectriques. Des prototypes simples ont permis de valider le principe du contrôle de forme des structures à l’aide de polymères diélectriques. / Dielectric polymers have seen their importance grow in the field of electroactive materials because of their undeniable advantages, particularly for potential applications such as energy harvesting, actuation or sensors. The work done in this thesis is exploratory and aims primarily to provide on one hand a new piezoelectric-polymer hybrid approach for the development of energy harvesting systems and secondly to develop operating methods shape control of structures using electroactive polymers. The use of dielectric polymers in energy harvesting devices reconciles a high energy density with low rigidity and simplicity of integration. The main problem which is characteristic of such devices is that they necessarily require the use of an external bias high voltage supply (> 1kV) to achieve significant energy densities. The hybrid approach proposed in the context of this work eliminates this source of external energy by using a piezoelectric device capable of generating, under the action of a mechanical stress, the electric field required to operate the device. The problem of optimization of energy transfer between any two systems was also studied. The work was then directed towards the investigation of the feasibility of the piezo-polymer hybrid approach. Various configurations have been proposed and evaluated in order to deduce their optimal parameters. The performance of hybrid devices was experimentally evaluated and compared with that obtained with simple piezoelectric or electrostatic (using polymers) systems. The second part of this work focuses on the use of electroactive materials as actuators for shape control of thin structures. The final application aimed here is the development of an active skin type material allowing reconfiguration of orbiting satellite antennas. Different types of polymers were first tested and their performance has been compared with the theoretical models developed specifically in this context. Original structures have been proposed to solve some problems related to the actuation using dielectric polymers. Simple prototypes have validated the principle of the structural shape control. If their use brings undeniable advantages over conventional operating techniques, the fact remains that certain specific characteristics of electroactive polymers limit their performance. For example, the square law characteristic of the electroactive polymer control requires the use of particular geometries in order to obtain a symmetrical two-way displacement. This fact complicates the control of such actuators but allows in the end to add new features. Thus the use of a sectored network of polymer actuator is required to obtain a symmetrical movement on a single type of structure blocked blocked-beam, but allows to consider different deformation profiles. Other similar problems have been addressed using different original structures.

Le développement des systèmes de récupération d'énergie est liée à l'émergence des applications de type Internet des objets (IoT) plus spécifiquement à la prolifération des réseaux de capteurs autonomes. Les progrès réalisés ces dernières années dans le domaine des technologies de l’information et de la communication ont permis de lever certains verrous technologiques au développement de ces réseaux de capteurs intelligents et autonomes, notamment grâce à l’amélioration des performances intrinsèques des composants microélectroniques (vitesse, consommation), la conception de circuits plus économes en énergie, ou bien la mise en place de standards de communications radio adaptés à ces contraintes énergétiques. Etant donné l’ubiquité des sources d’énergie, la fabrication de générateurs permettant d’alimenter directement ces capteurs et les rendre autonomes en énergie à partir de ces sources représente une alternative viable à l’utilisation de batteries pour prolonger la durée de vie de ces capteurs communicants. Diverses technologies de générateurs ont ainsi été proposées pour s’adapter aux différentes formes que peut prendre l’énergie, qu’elle soit d’origine thermique, mécanique ou solaire. Le présent travail est une contribution à l'élaboration d’un récupérateur d’énergie thermique à base de bilames thermiques et de matériaux piézoélectriques. Ce type de générateurs, proposé et développé au sein de STMicroelectronics à Crolles, se veut être une alternative fiable et bas coût à l’utilisation de matériaux thermoélectriques exploitant l’effet Seebeck pour générer de l’énergie électrique. Des preuves de concept de tels systèmes ont déjà été développées aussi bien à macro-échelle qu’a micro-échelle. Ce travail s’inscrit dans la continuité du développement d’un récupérateur d’énergie macroscopique reposant sur ce principe-là. L’objectif de cette thèse est dans un premier temps d’optimiser cette structure pour atteindre des niveaux de puissances plus élevés que la première preuve de concept puis dans un second temps, de réaliser son intégration afin d’effectuer des démonstrations de capteur autonome et confirmer la viabilité de la technologie développée pour de telles applications. / The development of energy harvesting systems is linked to the emergence of the Internet of Things (IoT) more specifically to the proliferation of Wireless Sensor Networks that should respond to the growing needs for monitoring data in domains as diverse as the industry, the urban environments, the home or even the human body. Recent progress in the CMOS technology have enabled to remove some of the technical obstacles to the deployment of these smart and autonomous devices, specifically thanks to the improvements of the performances of microelectronic components, the design of ultra-low-power circuits and even the creation of wireless communication standards well adapted to the needs of wireless sensors. Given the availability of ambient energy sources like mechanical, thermal, light etc., energy harvesters are becoming reliable alternatives to batteries in order to extend the autonomy of these sensors. Consequently, various technologies of generators have been developed to harvest different kind of energies in function of their availability. The present work is a contribution to the development of a thermal energy harvester based on bimetallic strips heat engine and piezoelectric membranes. This type of technology developed by STMicroelectronics is intended to be a low cost alternative to thermoelectric generators exploiting the seebeck effect to convert heat into electricity. Based on this working principle, many harvesters both at the micro and macro scale have been fabricated. This thesis deals with the development of macroscopic energy harvesters whose first proofs of concept were established in a previous thesis. An important part of this manuscript deals with the thermal optimization of this energy harvester both in static and dynamic modes. Once the thermal properties improved, various piezoelectric materials were tested and compared to find the most adapted ones to our application and the same work is realized to choose the best device’s architecture. The integration of the energy harvester is then realized and wireless sensor node applications are demonstrated using various communication protocols and sensors. SPICE modeling of the system is also made and coupled with simulations of power management circuits developed by CEA’s design team. Finally, alternative ways to exploit wasted heat and vibrations are proposed through the development of piezoelectric bimetals and dual energy harvesters able to harvest thermal energy and mechanical energy at the same time: piezoelectric bimetals are realized either by direct deposition of piezoelectric composites or piezoelectric thin films onto bimetals. In the case of the dual energy harvester, piezoelectric cantilever beams were designed and simulated to vibrate at low frequencies (between 50Hz and 125Hz).

In telecommunications, distributed cooperative communications refer to techniques which allow different users in a wireless network to share or combine their information in order to increase diversity gain or power gain. Unlike conventional point-to-point communications maximizing the performance of the individual link, distributed cooperative communications enable multiple users to collaborate with each other to achieve an overall improvement in performance, e.g., improved range and data rates. The first part of this dissertation focuses the problem of jointly decoding binary messages from a single distant transmitter to a cooperative receive cluster. The outage probability of distributed reception with binary hard decision exchanges is compared with the outage probability of ideal receive beamforming with unquantized observation exchanges. Low- dimensional analysis and numerical results show, via two simple but surprisingly good approximations, that the outage probability performance of distributed reception with hard decision exchanges is well-predicted by the SNR of ideal receive beamforming after subtracting a hard decision penalty of slightly less than 2 dB. These results, developed in non-asymptotic regimes, are consistent with prior asymptotic results (for a large number of nodes and low per-node SNR) on hard decisions in binary communication systems. We next consider the problem of estimating and tracking channels in a distributed transmission system with multiple transmitters and multiple receivers. In order to track and predict the effective channel between each transmit node and each receive node to facilitate coherent transmission, a linear time-invariant state- space model is developed and is shown to be observable but nonstabilizable. To quantify the steady-state performance of a Kalman filter channel tracker, two methods are developed to efficiently compute the steady-state prediction covariance. An asymptotic analysis is also presented for the homogenous oscillator case for systems with a large number of transmit and receive nodes with closed-form results for all of the elements in the asymptotic prediction covariance as a function of the carrier frequency, oscillator parameters, and channel measurement period. Numeric results confirm the analysis and demonstrate the effect of the oscillator parameters on the ability of the distributed transmission system to achieve coherent transmission. In recent years, the development of efficient radio frequency (RF) radiation wireless power transfer (WPT) systems has become an active research area, motivated by the widespread use of low-power devices that can be charged wirelessly. In this dissertation, we next consider a time division multiple access scenario where a wireless access point transmits to a group of users which harvest the energy and then use this energy to transmit back to the access point. Past approaches have found the optimal time allocation to maximize sum throughput under the assumption that the users must use all of their harvested power in each block of the "harvest-then-transmit" protocol. This dissertation considers optimal time and energy allocation to maximize the sum throughput for the case when the nodes can save energy for later blocks. To maximize the sum throughput over a finite horizon, the initial optimization problem is separated into two sub-problems and finally can be formulated into a standard box- constrained optimization problem, which can be solved efficiently. A tight upper bound is derived by relaxing the energy harvesting causality. A disadvantage of RF-radiation based WPT is that path loss effects can significantly reduce the amount of power received by energy harvesting devices. To overcome this problem, recent investigations have considered the use of distributed transmit beamforming (DTB) in wireless communication systems where two or more individual transmit nodes pool their antenna resources to emulate a virtual antenna array. In order to take the advantages of the DTB in the WPT, in this dissertation, we study the optimization of the feedback rate to maximize the energy efficiency in the WPT system. Since periodic feedback improves the beamforming gain but requires the receivers to expend energy, there is a fundamental tradeoff between the feedback period and the efficiency of the WPT system. We develop a new model to combine WPT and DTB and explicitly account for independent oscillator dynamics and the cost of feedback energy from the receive nodes. We then formulate a "Normalized Weighted Mean Energy Harvesting Rate" (NWMEHR) maximization problem to select the feedback period to maximize the weighted averaged amount of net energy harvested by the receive nodes per unit of time as a function of the oscillator parameters. We develop an explicit method to numerically calculate the globally optimal feedback period.

Avec le développement des circuits intégrés à très faible consommation d'énergie, la nécessité de réduire les coûts d'exploitation des dispositifs électroniques embarqués et l'utilisation des piles usagées constituant une menace pour l'environnement, le concept de récupération d'énergie a acquis un nouvel intérêt. La récupération d'énergie couvre le piégeage de nombreuses sources d'énergie ambiantes perdues et leur conversion en énergie électrique. Une large gamme de dispositifs de récupération d'énergie des vibrations mécaniques a été développée. Une configuration commune consiste en un système de masse-ressort avec un matériau piézoélectrique en parallèle avec le ressort pour convertir une partie de l'énergie mécanique pendant les oscillations en énergie électrique. Jusqu'à présent, le matériau le plus utilisé pour la récupération d'énergie piézoélectrique est le titano-zirconate de plomb (PbZr1-xTixO3) (PZT). Le PZT est le matériau de référence pour les applications microsystème électromécanique-MEMS (MechanoElectroMechanicalSystems) dans le domaine de la récupération d'énergie. Les matériaux piézoélectriques à base de plomb tels que le PZT et niobate-titanate de plomb-magnésium (PMN-PT) offrent des facteurs de couplage piézoélectriques supérieurs à ceux d'autres matériaux. Cependant, malgré ses excellentes propriétés électriques (diélectriques, ferroélectriques et piézoélectriques), le PZT et d'autres matériaux à base de plomb devraient bientôt être remplacés par des composés sans plomb, à cause des problèmes environnementaux. Notre travail vise à développer des matériaux sans plomb de haute performance pour la récupération d'énergie par vibration mécanique. Nous nous sommes intéressés à la fabrication et la caractérisation des dispositifs MEMS pour la récupération d'énergie en utilisant les matériaux piézoélectriques sans plomb tels que le nitrure d'aluminium (AIN), le titanate de baryum BaTiO3 (BTO) et la ferrite de bismuth BiFeO3 (BFO). Les matériaux piézoélectriques PZT (utilisé comme référence à cause ses coefficients piézoélectriques élevés), BTO, BFO et AIN ont été déposés en utilisant des méthodes de dépôt telles que la pulvérisation cathodique et le dépôt sol-gel, conduisant à des films minces à grande échelle, homogènes et de haute densité, avec une épaisseur contrôlée avec précision. Le dépôt de films de 300 nm d'épaisseur par pulvérisation cathodique ou par Sol-Gel a été réalisé sur du substrat de SrTiO3 (STO) recouvert d'une électrode inférieure de SrRuO3 (SRO), qui est le substrat de référence pour les oxydes fonctionnels (PZT, BTO et BFO), et sur un substrat de silicium recouvert de platine, qui est le modèle industriel classique. Quels que soient les matériaux piézoélectriques, nous avons obtenu des films épitaxiés sur substrat de STO et texturés sur substrat de silicium. Des mesures structurales, électriques et piézoélectriques sur les films de BTO, AIN et PZT montrent qu'ils ont de bonnes propriétés physiques en accord avec la littérature. / With the development of ultra-low-power integrated circuits, the need to reduce operating costs for embedded electronic devices, and since used batteries pose a threat to the environment, the concept of energy harvesting has gained a new relevance. Energy harvesting covers the scavenging of many lost ambient energy sources and their conversion into electrical energy. A broad range of energy harvesting devices has been developed to scavenge energy from mechanical vibrations. A common configuration consists of a spring-mass system with a piezoelectric material in parallel with the spring to convert some of the mechanical energy during oscillations into electrical power. So far the most used material for piezoelectric energy harvesting is the Lead Zirconate Titanate (PbZr1-xTixO3) (PZT). PZT is the reference material for MEMS (MechanoElectroMechanicalSystems) applications in the field of energy harvesting. Lead-based piezoelectric materials such as PZT and lead magnesium niobate-lead titanate (PMN-PT) offer incomparable piezoelectric coupling factors to other materials. However, despite its excellent electrical properties (dielectric, ferroelectric and piezoelectric), PZT and other Lead based materials should be replaced shortly by leadfree compounds, due to environmental issues. Our work aims at developing lead-free high performance vibration energy-harvesting. We focus on the fabrication and characterization of aluminum nitride (AlN), Barium titanate BaTiO3 (BTO) and Bismuth ferrite BiFeO3 (BFO) devices for energy harvesting. PZT (as a reference because it’s high piezoelectric coefficients), BTO, BFO and AlN have been deposited using sputtering methods, leading to high homogeneous, large scale thin films with a precisely controlled thickness. The deposition of 300nm-thick films by sputtering or spin coating was performed on SrTiO3 (STO) substrate with SrRuO3 (SRO) bottom electrode, which is the reference substrate for the functional oxides (PZT, BTO and BFO), and platinum coated silicon substrate, which is the classic industrial template. Whatever the piezoelectric materials, we obtained epitaxial films on STO substrate and textured films on silicon substrate. Structural, electrical and piezoelectric measurements on the BTO, AlN and PZT films show that they have good physical properties in agreement with the literature.

Cette thèse, de nature expérimentale, rentre dans le cadre de la récupération d’énergie pour les micro-générateurs et l’autonomie des dispositifs électroniques à faible consommation. Ce travail propose les possibilités de récupérer de l’énergie thermique par effet pyroélectrique. L’éner- gie thermique à convertir est une variation temporelle de température. Nous avons proposé deux principales techniques pour produire de l’énergie électrique via une céramique pyroélectrique de type PZT. La première est centrée sur la récupération des radiations infrarouges associé à la tech- nique SSHI. Originellement, la technique SSHI a été développée dans le cas de la récupération d’énergie piézoélectrique, mais nous l’avons appliqué dans le cas de la pyroélectricité et qui nous a permis de maximiser la puissance récupérée d’un facteur de 2. La seconde technique proposée concerne la récupération des fluctuations thermiques provenant des mouvements convectifs nais- sant à l’intérieur d’un fluide dans la configuration de Rayleigh-Bénard. Nous avons mené plusieurs études pour augmenter le transfert convectif dans le but d’améliorer la réponse pyroélectrique et donc maximiser la puissance récupérée. Dans le cas des convections naturelles, le choix de fluide adéquat et l’optimisation des paramètres de contrôle de la configuration Rayleigh-Bénard consti- tuent des étapes primordiales pour aboutir à un meilleur transfert thermique par convection. Dans le cas des convections forcée, il a été étudié l’intérêt de disperser des particules de Cuivre de taille nanométrique dans un fluide porteur pour augmenter plus davantage le transfert convectif. Avec ce nanofluide, la réponse pyroélectrique a été maximisée d’un facteur de 10. / This experimental thesis focuses on the energy harvesting for micro-generators and au- tonomy of electronic devices with low consumption. This work proposes the possibilities of har- vesting thermal energy by pyroelectric effect. The thermal energy to be converted is thermal fluc- tuations. We proposed two main techniques to generate electricity by pyroelectric ceramic. The first one focuses on the harvesting of infrared radiation associated with the SSHI technique. Ori- ginally, the SSHI technique was developed in the case of the piezoelectric energy harvesting, but we applied it in the case of pyroelectricity and which allowed us to maximize the harvested power by a factor of 2. The second proposed technique concerns the harvesting of thermal fluctuations resulting from convective movements originating inside a fluid in the Rayleigh-Bernard configu- ration. We have carried out several studies to increase the convective transfer in order to improve the pyroelectricresponse and maximize the harvested power. In the case of natural convection, the choice of a suitable fluid and the optimization of the control parameters of the Rayleigh-Bernard configuration are essential steps in order to achieve better heat transfer by convection. In the case of forced convection, it has been studied the advantage of dispersing copper nanoparticles in a pure fluid to increase the convective transfer. With this nanofluid, the pyroelectric response was maximized by a factor of 10.

Ce travail s’oriente vers la valorisation du traitement d’eaux usées à partir de piles à combustibles microbiennes (PCM) benthiques pour la production d’électricité. Cette technologie permet la production d’électricité à partir de micro-organismes électro-actifs (EA) et d’un substrat carboné qui peut être de l’eau usée.Quatre types d’eaux usées issues de l’activité anthropique sont sélectionnés. La présence de micro-organismes EA est mise en évidence par 2 méthodes électrochimiques. En condition réelle, le milieu lagunaire présente les meilleures performances électriques (6,6 mW/m²). Celui-ci propose l’environnement le plus favorable à l’installation dePCM benthiques in-situ. Les résultats montrent une forte influence des micro-algues sur l’activité des biofilms EA. Avec un cycle jour/nuit, cette production varie en suivant les cycles d’éclairage. Les micro-algues apportent l’oxygène nécessaire aux réactions cathodiques. Les PCM améliorent également la consommation de polluants du milieu cathodique.L’alimentation de petits dispositifs tels que des capteurs passe obligatoirement par une augmentation de la tension délivrée par les biopiles. Différentes techniques d’élévation de la tension (mise en série et en parallèle de plusieurs piles, convertisseurs DC/DC) sont analysées. Un capteur de température et d’humidité a fonctionné durant plus de 15 h directement alimenté par une de nos biopiles benthiques avec une puissance de 328 µW. Sa tension de sortie est augmentée par un convertisseur de type Flyback, passant de 560 mV à plus de 5,5 V. L’utilisation de PCM in-situ dans la lagune peut constituer une alternative à la production électrique et au traitement des eaux usées. / The work described in this document is oriented to enhancing the treatment of wastewater from benthic microbial fuel cell (BMFC) for electricity production. This technology allows the production of electricity from electro-active (EA) microorganisms and carbonated substrate which may be the wastewater.Four types of wastewater from human activity are selected. The presence of EA microorganisms is highlighted by two electrochemical methods. In real conditions, the lagoon environment has the best electrical performance (6.6 mW/m²).The lagoon environment offers the most favorable environment for installation BMFC in-situ. The results show a strong influence of microalgae on the EA biofilms activities and thus on the production of electricity. In lagoon conditions, with a day/night cycle, this production varies according to the lighting cycles. Microalgae bring oxygen necessary for cathode reactions at lower cost. BMFC also improve the consumption of pollutants including organics.Electrical supply by small devices such as sensors necessarily requires an increase of the voltage delivered by BMFC. The different voltage boosting techniques such as series and parallel connections of several units or the use of DC/DC converters are performed and analyzed. A temperature and humidity sensor worked for more than fifteen hours directly powered by a BMFC with a power of 328 µW. Its output voltage is increased by a flyback type DC/DC converter, from 560 mV to more than 5.5 V. The use of PCM in-situ in the lagoon can be an alternative to the power generation and the treatment of wastewater.

In recent year, wireless sensor networks have gradually become an indispensable part of people's daily lives. Energy consumption and energy harvesting play an important role in these systems. In outdoor, there is no doubt that solar energy is more suitable to powering the wireless sensor nodes. Although the energy consumption of these systems has been greatly reduced and the lifetime of sensor nodes also be improved through the larger capacity of supercapacitor or larger size of solar panel. But it will generate another kind of squander, how to choose a suitable solar panel and supercapacitor is appearance in our view. In this paper, I optimized the solar energy harvesting system from two aspects of capacity of supercapacitor and size of solar panel. The objective of this thesis has shown that as small solar panel and supercapacitor as possible for a given load of these systems under low consumption condition. Here, I establish the simulation in Simulink of Matlab, and build a low-power consumption; high-security solar energy harvesting hardware system for monitoring environment in Sundsvall, Sweden. Through the comparison between the simulation and real monitor to verify the feasibility

Polymer-based piezoelectric and triboelectric generators form the basis of well-known energy harvesting methods that are capable of transforming ambient vibrational energy into electrical energy via electrical polarization changes in a material and contact electrification, respectively. However, the low energy conversion efficiency and limited thermal stability of polymeric materials hinder practical application. While nanostructured polymers and polymer-based nanocomposites have been widely studied to overcome these limitations, the performance improvement has not been satisfactory due to limitations pertaining to long-standing problems associated with polymeric materials; such as low crystallinity of nanostructured polymers, and in the case of nanocomposites, poor dispersion and distribution of nanoparticles in the polymer matrix. In this thesis, novel functional polymeric nanomaterials, for stable and physically robust energy harvesting applications, are proposed by developing advanced nanofabrication methods. The focus is on ferroelectric polymeric nanomaterials, as this class of materials is particularly well-suited for both piezoelectric and triboelectric energy harvesting. The thesis is broadly divided into two parts. The first part focuses on Nylon-11 nanowires grown by a template-wetting method. Nylon-11 was chosen due to its reasonably good ferroelectric properties and high thermal stability, relative to more commonly studied ferroelectric polymers such as polyvinylidene fluoride (PVDF) and polyvinylidene fluoride-trifluoroethylene (P(VDF-TrFE)). However, limitations in thin-film fabrication of Nylon-11 have led to poor control over crystallinity, and thus investigation of this material for practical applications had been mostly discontinued, and its energy harvesting potential never fully realised. The work in this thesis shows that these problems can be overcome by adopting nanoporous template-wetting as a versatile tool to grow Nylon-11 nanowires with controlled crystallinity. Since the template-grown Nylon-11 nanowires exhibit a polarisation without any additional electrical poling process by exploiting the nanoconfinement effect, they have been directly incorporated into nano-piezoelectric generators, exhibiting high temperature stability and excellent fatigue performance. To further enhance the energy harvesting capability of Nylon-11 nanowires, a gas -flow assisted nano-template (GANT) infiltration method has been developed, whereby rapid crystallisation induced by gas-flow leads to the formation of the ferroelectric δʹ-phase. The well-defined crystallisation conditions resulting from the GANT method not only lead to self-polarization but also increases average crystallinity from 29 % to 38 %. δʹ-phase Nylon-11 nanowires introduced into a prototype triboelectric generator are shown to give rise to a six-fold increase in output power density as observed relative to the δʹ-phase film-based device. Interestingly, based on the accumulated understanding of the template-wetting method, Nylon-11, and energy harvesting devices, it was found that thermodynamically stable α-phase Nylon-11 nanowires are most suitable for triboelectric energy generators, but not piezoelectric generators. Notably, definitive dipole alignment of α-phase nanowires is shown to have been achieved for the first time via a novel thermally assisted nano-template infiltration (TANI) method, resulting in exceptionally strong and thermally stable spontaneous polarization, as confirmed by molecular structure simulations. The output power density of a triboelectric generator based on α-phase nanowires is shown to be enhanced by 328 % compared to a δʹ-phase nanowire-based device under the same mechanical excitation. The second part of the thesis presents recent progress on polymer-based multi-layered nanocomposites for energy harvesting applications. To solve the existing issues related to poor dispersion and distribution of nanoparticles in the polymer matrix, a dual aerosol-jet printing method has been developed and applied. As a result, outstanding dispersion and distribution. Furthermore, this method allows precise control of the various physical properties of interest, including the dielectric permittivity. The resulting nanocomposite contributes to an overall enhancement of the device capacitance, which also leads to high-performance triboelectric generators. This thesis therefore presents advances in novel functional polymeric nanomaterials for energy harvesting applications, with improved performance and thermal stability. It further offers insight regarding the long-standing issues in the field of Nylon-11, template-wetting, and polymer-based nanocomposites.

La récupération d’énergie thermique peut être réalisée par de nombreuses techniques de transduction d’énergie. Les techniques directes de conversion d’énergie thermique en énergie électrique sont généralement les technologies les plus utilisées. Lorsque des générateurs miniaturisés son requis, des méthodes directes de conversion présentent des difficultés, y compris la nécessité des dissipateurs de chaleur volumineux ou la forte dépendance aux fluctuations de température rapides. Donc, les méthodes de conversion indirecte, comme la conversion d’énergie thermique à mécanique et puis mécanique à électrique sont présentées comme des alternatives aux récupérateurs d’énergie. Cette technologie ouvre une nouvelle ligne de recherche pour surmonter les contraintes des récupérateurs d’énergie à petite échelle. Même si leur rendement est relativement faible en raison des pertes liées aux étapes de conversion d’énergie, les générateurs d’énergie basés sur l’effet thermomagnétique présentent une densité de puissance élevée lors de leur miniaturisation. Néanmoins, peu de recherches sur la récupération d’énergie thermomagnétique à petite échelle ont été menées et aucune étude de faisabilité industrielle n’a été signalée jusqu’à présent. Ces travaux présentent la conception d’un générateur capable de convertir de faibles et de lentes fluctuations de température ambiante en électricité. L’effet thermomagnétique d’un matériau magnétique doux, à savoir l’alliage de fer et de nickel (FeNi) ainsi que la piézoélectricité sont la base de fonctionnement du dispositif. Cette thermo-magnétisation entraîne la conversion d’énergie thermique, sous la forme de fluctuations temporelles, en vibrations mécaniques d’une structure. La structure consiste en un bimorphe piézoélectrique (PZT). Le générateur a deux positions stables; la position ouverte et celle fermée. En modifiant la température de FeNi, l’interaction entre deux forces du système (forces magnétique et mécanique) amène le générateur à l’une de ses deux commutations. La température de Curie du FeNi étant proche de la température ambiante, des applications comme des dispositifs connectés portables peuvent être ciblées. Un modèle analytique est développé. Donc, une conception rapide du générateur est réalisée pour répondre aux cahiers des charges tels que: la température d’opération, la plage de températures, la réponse thermique, les capacités de conversion piézoélectrique, etc. De plus, des règles de conception ont été dérivées envers la réduction de la taille du générateur. Des modélisations par éléments finis sont développés sous ANSYS afin de valider notre modèle analytique simplifié. Ces modèles permettent aux concepteurs d’explorer d’autres matériaux et de faire des améliorations en utilisant des processus d’optimisation de la conception. Des prototypes des récupérateurs d’énergie atteignent des densités de puissance de 0.6μWcm^−3 pendant des commutations d’ouverture à 40°C et 0.02μWcm^−3 pendant des commutations de fermeture à 28°C. En réduisant la taille du générateur, des commutations d’ouverture à 31°C et des commutations de fermeture à 27°C, sont atteints. La distance initiale de séparation entre l’aimant permanent et l’alliage magnétique doux est identifiée comme une clé pour augmenter la capacité de conversion d’énergie du générateur. Un modèle équivalent électrique du générateur est développé afin de concevoir un circuit d’extraction d’énergie ainsi qu’un module de gestion d’énergie. Ce circuit est développé sous PSpice, permettant de mettre en œuvre des pertes liées aux matériaux (pertes mécaniques et diélectriques). Par le biais d’ajustement de courbe, ce modèle est capable de calculer des valeurs de pertes. Une analyse de la variabilité de la conception est réalisée afin d’explorer la faisabilité industrielle d’un tel générateur. Ainsi, la récupération d’énergie thermomagnétique peut concourir, pour la première fois, avec les thermo-générateurs les plus modernes. / Thermal energy harvesting can be realized by numerous techniques of energy transduction. Direct conversions of thermal to electrical energy are typically the most popular technologies used. When miniaturized generators are required, direct conversion methods present difficulties, including the need of bulky heat sinks or the strong dependence to rapid temperature fluctuations. Therefore, indirect conversion methods, like thermal-to-mechanical-to-electrical energy are presented as an alternative to thermal energy harvesters towards powering autonomous sensors. This disruptive technology opens up a new approach to overcome the limitations of miniaturized thermal energy harvesting systems. Even if having a relatively low efficiency due to losses linked to energy conversion steps, energy harvesters based on thermo-magnetic effect show a large power density upon miniaturization. Nevertheless, little research on thermo-magnetic energy harvesting at miniature scale has been conducted and no competitive electrical output has been reported until now.This work presents the design of a generator able to convert small and slow ambient temperature fluctuations into electricity. It exploits the thermo-magnetic effect of a soft magnetic material, namely, iron nickel alloy (FeNi) and piezoelectricity. Thermo-magnetization of FeNi is driving the conversion of thermal energy, in the form of temporal fluctuations, into mechanical vibrations of a structure. The structure consists in a piezoelectric bimorph (PZT) cantilever beam. The generator has two stable positions; open position and closed one. Curie temperature of FeNi being near to ambient temperature, applications like wearable connected devices may be targeted. By changing the temperature of the soft magnetic alloy, the interaction between counterbalance forces (magnetic and mechanical forces) leads the generator to one of its two commutations.Analytical model is developed in order to predict generator performance. Making use of this model, a rapid design of generator is conducted to fit custom requirements such as: temperature of operations, temperature range of operation, thermal response, piezoelectric energy conversion capabilities, etc.Additionally, main design rules were derived from the design parameters of the generator. Special attention was paid on how scaling down size affects the generator performance by using the analytical model.Finite element models are developed through ANSYS software in order to validate the analytical simplified model. They couple the thermal to magnetic field and then mechanical to electrical energy conversion is solved. This model allows designers to explore other materials and do improvements by using design optimization processes.First generation energy harvesting demonstrators achieve power densities of 0.6µWcm^-3 during opening commutations around 40°C and 0.02µWcm^-3 at closing commutations around 28°C. By reducing the generator’s size opening commutations at 31°C while closing commutations at 27°C are achieved. By modifying design parameters such as initial distance of separation between the permanent magnet and soft magnetic alloy is identified as a key to boost the energy conversion capability of the generator. Finally, electrical equivalent model of this thermo-magnetically activated piezoelectric generator is developed to design an energy extraction circuit and power management module. This circuit is developed in a unique software PSpice, to implement losses linked to materials (mechanic and dielectric losses). Making use of curve fitting processes, this model is able to find losses values. A variability analysis of the design is conducted by using the analytical model through Matlab in order to explore the feasibility of producing such a generator industrially. Thus, thermo-magnetic energy harvesting can compete for the first time with the state-of-the-art thermos-electrics.