La récupération d’énergie vise à réaliser des dispositifs électromécaniques de taille centimétrique permettant d’alimenter des systèmes électroniques en puisant de manière opportuniste l’énergie du milieu environnant. Parmi les différentes sources disponibles (solaire,thermique etc.) les vibrations ambiantes sont susceptibles de fournir assez de puissance pour alimenter des microsystèmes autonomes tels que des noeuds de réseaux de capteurs communicants. L’enjeu consiste à concevoir des microgénérateurs effectuant la conversion de cette énergie mécanique ambiante en énergie électrique exploitable de manière optimale.Ces travaux de thèse proposent dans un premier temps un critère d’étude et de comparaison des performances des générateurs de types piézoélectriques ou électromagnétiques, à partir d’un modèle normalisé unifié. Dans un second temps, un circuit non linéaire d’extraction de l’énergie est étudié pour les générateurs électromagnétiques, et ses performances sont discutées en comparaison avec un circuit classique d’extraction de l’énergie. A partir de ces résultats, une nouvelle structure de générateur électromagnétique est conçue, optimisée puis validée expérimentalement. / Energy harvesting from ambient energy aims at realizing electromechanical miniaturized generators to supply electronic systems from energy of our local environment. Among the available sources (solar, thermal…), ambient vibrations show the requirements to supply autonomous microsystems like communication sensors nodes of sensors networks. The issue is to develop microgenerators doing the optimal conversion of the mechanical energy into usable electrical energy, and supplying the maximal power density. This works presents a criterium to compare piezoelectric systems and electromagnetic systems, based on a common normalized model. In a second part, a new nonlinear extraction circuit for electromagnetic generators is theoretically studied, and its practical advantages are highlighted in comparison with a classical extraction circuit. Based on these results, a new structure of electromagnetic generator is studied,optimized and experimentally validated.

Le développement des réseaux de capteurs sans fil (WSN) profite des progrès récents en consommation énergétique dans les systèmes électroniques et des progrès en technologies de récupération d'énergie pour construire des entités de contrôle intelligentes utilisées dans des domaines variés comme la santé ou l'agriculture. Grâce aux consommations toujours plus faibles des circuits de communication radiofréquence, il est possible de créer des réseaux de systèmes de capteurs capables d'extraire des données de l'environnement et de les transmettre à une entité maîtresse. Les durées de vie limitées des batteries sont un frein au développement de tels réseaux pour des raisons de coût et de difficulté de maintenance. Grâce à la récupération d'énergie dans l'environnement, qu'elle soit solaire, thermique ou mécanique, il est alors envisageable d'alimenter un système de capteurs et sa communication sans fil afin d'accroitre l'autonomie globale du réseau. Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse visent à étudier la gestion d'énergie au sein d'un nœud de capteurs communicant sans fil. Grâce à l'utilisation d'une architecture d'alimentation avancée à chemins de puissance multiples, basée notamment sur un chemin direct à haut rendement entre les récupérateurs d'énergie et les charges consommantes, le système peut optimiser son rendement énergétique lorsque l'énergie est récupérée dans l'environnement. Cette architecture d'alimentation requiert néanmoins un contrôle numérique fin afin de déterminer à tout moment le chemin de puissance optimal entre les récupérateurs, les capacités et batterie de stockage, et les charges consommantes. Un contrôleur intégré asynchrone réalise une gestion événementielle de ces chemins de puissance et permet au système d'être robuste face aux variations énergétiques environnementales. Après une modélisation et une analyse des gains de l'architecture avancée de gestion de puissance, un contrôleur événementiel adapté aux systèmes de capteurs communicants est proposé. Ce contrôleur est implémenté en logique asynchrone quasi insensible aux délais (QDI) et offre au système une robustesse intrinsèque forte aux variations environnementales en addition à sa très faible consommation. Un circuit de gestion d'alimentation pour nœud de capteurs communicant est ainsi fabriqué en technologie CMOS 180nm et intègre des innovations tant architecturales que de gestion numérique applicative. Sa consommation globale proche d'1µW permet ainsi la réalisation de systèmes de capteurs fonctionnels pour des applications mettant en jeu des puissances de l'ordre du microwatt, autorisant en conséquence la mise en place de réseaux de capteurs ultra faible consommation. / Wireless Sensor Networks (WSN) development leverages recent progress in electronic devices power consumption and in energy harvesting technologies in order to create smart sensing structures useful for improvements in various topics such as health monitoring or farming. Thanks to wireless communication circuits lower power consumption, it becomes possible to create networks of sensing systems capable of extracting information from the environment and of transmitting data through the network to the global intelligence. Because of hard and costly maintenance requirements, limited lifespans batteries are a brake on such networks development. Thanks to environmental energy harvesting on solar, thermal or mechanical sources, a system containing sensors and a wireless communication circuit can be powered. Global energy autonomy is thus improved and the node's life is enhanced. Works done during this PhD aim to study energy management within a sensing wireless communicating node. Thanks to the use of advanced multiple power paths architecture leveraging direct power path between the sources and the power loads, the power management system can optimize its energy efficiency when energy is harvested in the environment. Nevertheless, a precise digital control is mandatory to continuously determine the best power path between the energy harvesters, the energy storing capacitors and batteries, and the power loads. An integrated asynchronous controller implements an event-driven management of the power paths and gives the system robustness to environmental energy variations. After modeling and analyzing the power efficiency gain granted by the advanced architecture, an event-driven controller is proposed to ease implementation of wireless sensing applications. The controller is implemented in asynchronous quasi delay insensitive (QDI) logic and presents high intrinsic robustness to environemental variations while maintaining ultra low power consumption. A power management circuit suited for wireless sensing systems is thus fabricated using 180nm CMOS process and includes both architecture and digital management innovations. Its global power consumption close to 1µW allows considering the creation of wireless sensing nodes running for applications in the range of microwatts, consequently enabling development of ultra low power wireless sensor networks.

Submitted by Morgana Silva (morgana_linhares@yahoo.com.br) on 2016-07-27T17:45:52Z No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 2648831 bytes, checksum: 9541497365622df815ae71c695bd6f89 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-07-27T17:45:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 2648831 bytes, checksum: 9541497365622df815ae71c695bd6f89 (MD5) Previous issue date: 2015-02-24 / In recent decades, the growing demand for miniaturized, portable and autonomous electronics has intensified the search for new and appropriate energy sources. Following this context, the purpose of this work is to develop an energy-autonomous electronic system, powered by magnetic energy harvesting. Being the energy harvesting system composed of an electromagnetic transducer, to capture and convert stray magnetic field around power lines, and an electronic circuit to condition the energy generated by the transducer and provide adequate power for a resistive load of low consumption. An experimental methodology was employed to select the appropriate material for the core of the transducer therefore been conducted many laboratory tests to analyze and compare the performance of the transducers with respect to power and power density provided by the transducers two ferromagnetic materials distinct, the Ferrite and Nanocrystalline Alloy (FeSiB). After analyzing the data, it is concluded that for this application the Nanocrystalline Alloy showed the best results in terms of power density, and therefore, was selected as the material of the toroidal core of the transducer. However, in the output of the secondary coil was observed high voltage peaks, so that could cause damage to electronic devices connected to the coil circuit. Therefore, it chose to divide the secondary coil into two coils, both connected in parallel to reduce the inductance, at end It is found the effectiveness of the solution, because, reduced voltage spikes and kept the magnitude of the effective tension. However, the showed transducer high inductive reactance, due to its physical parameters, in particular, the high permeability, to compensate were used capacitances connected in series with the coil, in order to define the ideal situation for the system provide maximum power for the load. The power conditioning circuit has been designed to power the wireless sensor node nRF24LE1 the Nordic semiconductors, therefore, have been designed a full-wave rectifier, a filter to the capacitor and a voltage regulator. Finally, it can be concluded that an electronic system with energetic autonomy could be implemented, using as power supply the energy harvesting by magnetic induction, and it can be installed in environments in which there is a magnetic field available for "exploited". / Nas últimas décadas, a crescente demanda por circuitos eletrônicos miniaturizados, portáteis e autônomos, vem intensificando a busca por novas e adequadas fontes energéticas. Seguindo este contexto, o propósito desta dissertação é desenvolver um sistema eletrônico energeticamente autônomo, alimentado por colheita de energia magnética. Sendo o sistema de colheita composto por um transdutor eletromagnético, para captar e converter o campo magnético disperso em torno de linhas de potência, e um circuito eletrônico para condicionar a energia gerada pelo transdutor e fornecer a potência adequada para uma carga resistiva de baixo consumo. Uma metodologia experimental foi empregada para selecionar o material adequado para o núcleo do transdutor, por isso, foram realizados diversos testes em laboratório para analisar e comparar o desempenho dos transdutores em relação à potência e a densidade de potência, fornecidas pelos transdutores de dois materiais ferromagnéticos distintos, a Ferrita e a liga Nanocristalina (FeSiB). Após a análise dos dados, concluiu-se que para esta aplicação a liga Nanocristalina apresentou os melhores resultados quanto à densidade de potência, e por isso, foi selecionada como o material do núcleo toroidal do transdutor. Porém, na saída da bobina secundária se observou altos picos de tensão, de modo que poderia ocasionar danos aos dispositivos eletrônicos do circuito conectado a bobina. Portanto, optou-se por fazer a divisão da bobina secundária em dois enrolamentos, ambos ligados em paralelo, para reduzir a indutância, ao final constatou-se a eficácia da solução, pois, reduziu os picos de tensão e manteve a magnitude da tensão eficaz. Contudo, o transdutor apresentou alta reatância indutiva, devido os seus parâmetros físicos, em particular, a alta permeabilidade, para compensá-la foram utilizadas capacitâncias ligadas em série com a bobina, a fim de definir a situação ideal para o sistema fornecer a máxima potência à carga. O circuito de condicionamento de energia foi projetado para alimentar o nó sensor sem fio nRF24LE1 da Nordic semiconductors, para tanto, foram projetados um retificador de onda completa, um filtro à capacitor e um regulador de tensão. Por fim, pode-se concluir que um sistema eletrônico com autonomia energética pode ser implementado, utilizando-se como fonte de alimentação a colheita de energia por indução magnética, e o mesmo pode ser instalado em ambientes nos quais existam um campo magnético disponível para ser “aproveitado”.

Transdutores baseados em cascas piezocompósitas têm uma vasta aplicação no campo de estruturas inteligentes, principalmente como atuadores, sensores e coletores de energia. Essas estruturas piezocompósitas são geralmente compostas por dois ou mais tipos de materiais, como por exemplo materiais piezelétricos, ortotrópicos elásticos (possuem fibras de reforçamento) e isotrópicos (materiais homogêneos). Vários fatores devem ser considerados no projeto de transdutores baseados em cascas piezocompósitas, como o tamanho, a forma, a localização e a polarização do material piezelétrico, bem como a orientação das fibras do material ortotrópico. O projeto desses transdutores é complexo e trabalhos anteriores envolvendo esses tipos de materiais sugerem utilizar Método de Otimização Topológica (MOT) para aprimorar o desempenho dos transdutores distribuindo o material piezelétrico sobre substratos fixos de materiais isotrópicos e ortotrópicos, ou otimizar a orientação das fibras dos materiais ortotrópicos com material piezelétrico com tamanho, forma e localização previamente estabelecidos. Assim, nesta tese, propõe-se o desenvolvimento de uma metodologia baseada no MOT para projetar transdutores piezocompósitos de casca considerando, simultaneamente, a otimização da distribuição e do sentido de polarização do material piezelétrico, e também a otimização da orientação das fibras de materiais ortotrópicos, que é livre para assumir valores diferentes ao longo da mesma camada compósita. Utilizando essa metodologia, são obtidos resultados numéricos para atuadores e sensores em regime estático e para coletores de energia com circuito elétrico acoplado, em regime dinâmico amortecido. Para os casos dos sensores e dos coletores de energia, também são consideradas as tensões mecânicas na estrutura, as quais devem obedecer os critérios de von Mises (para materiais isotrópicos) e de Tsai-Wu (para materiais ortotrópicos) para que não haja falhas na estrutura, que está sujeita a esforços mecânicos. / Transducers based on laminated piezocomposite shell structures have a wide application in the field of smart structures, especially as actuators, sensors and energy harvesting devices. These piezocomposite structures are generally composed by two or more kinds of materials, such as piezoelectric, isotropic, and elastic orthotropic (fiber reinforcement) materials. Several factors must be considered in the design of piezocomposite transducers, such as size, shape, location and polarization of the piezoelectric material and the fiber orientation of the orthotropic material. The design of these transducers is complex and previous studies involving these types of materials suggest using \"Topology Optimization Method\" (TOM) to enhance the performance of piezoelectric transducers by distributing piezoelectric material over fixed isotropic and orthotropic substrate or to optimize the fiber orientation of orthotropic materials with piezoelectric patches previously established. Thus, this thesis proposes the development of a methodology based on the TOM to design laminated piezocomposite shell transducers by considering simultaneously the optimization of distribution and the polarization direction of the piezoelectric material, and also the optimization of the fiber orientation orthotropic material, which is free to assume different values along the same composite layer. By using this methodology, numerical results are obtained for actuators and sensors under static response, and energy harvesting devices with an electrical circuit coupled, in dynamic damped analysis. In the case of sensors and energy harvesting devices, which are subjected to mechanical loads, the mechanical stresses in the structure are also considered, which must satisfy two stress criteria to prevent failure: von Mises for isotropic materials and Tsai-Wu for orthotropic materials.

Ces travaux portent sur la récupération et le stockage d’énergie pour l’alimentation de capteurs sans fil dans un contexte aéronautique. Dans un premier temps, nous présentons la problématique particulière de l’alimentation des capteurs sans fil dans un tel domaine et dressons un état de l’art des différentes technologies de stockage et de récupération pouvant répondre à ce besoin. Dans un deuxième temps, à travers l’étude et la réalisation de deux récupérateurs, nous montrons les possibilités qu’apporte cette technologie et détaillons les contraintes de conception qu’impose le milieu afin d’obtenir une alimentation robuste et fiable. Le premier récupérateur présenté est une alimentation photovoltaïque située sur l’extrados de l’aile d’un A321 alimentant des bandes de capteurs sans fil proches. Le système fournit 2 watts, fonctionne par temps couvert et résiste aux températures fortement négatives (-50°C) et aux basses pressions (200hPa) qui sont rencontrées à l’altitude de croisière de cet appareil. Le deuxième récupérateur est une alimentation thermoélectrique placée dans le mât réacteur d’un A380 pour alimenter un système de capteurs dédié à la surveillance de l’état de structure. Le système résiste aux températures élevées (300°C) et aux importantes vibrations de la zone d’installation et produit l’énergie nécessaire à l’alimentation du système de capteurs. Les choix et les étapes de conception ayant menés aux deux systèmes sont détaillés, tant au niveau de l’assemblage mécanique que des circuits électroniques. / This work deals with energy harvesting and storage to power aircraft embedded wireless sensors. First, we discuss the issue of powering wireless sensors in an aircraft and we present a state of the art of the various energy harvesting and storage technologies that could be used. Then, through the design and construction of two harvesters, we show the possibilities offered by this technology and we explain the design constraints imposed by the application to get a reliable and robust power supply. The first harvester is a photovoltaic power supply located on the upper surface of an A321’s wing supplying a wireless sensors belt nearby. The systems provides 2 watts to the load, works with cloudy weather and is highly resistant to negative temperature (-50°C) and low pressure (200hPa) that are met at aircraft cruising altitude. The second harvester is a thermoelectric power supply located in an A380 pylon supplying a structural health monitoring system. The harvester is highly resistant to high temperature (300°C) and severe vibrations of the installation area and manages to generate the required energy to supply the structural health monitoring sensors. Mechanical and electronic design steps and choices that led to both harvesters are detailed and discussed.

Les Piles à Combustible Microbiennes (PCMs) mettent en œuvre le métabolisme de micro-organismes et utilisent de la matière organique pour générer de l’énergie électrique. Les applications potentielles incluent le traitement de l’eau autonome en énergie, les bio-batteries, et le grappillage d’énergie ambiante. Les PCMs sont des équipements basse-tension et basse-puissance dont le comportement est influencé par la vitesse à laquelle l’énergie électrique est récupérée. Dans cette thèse, on étudie des méthodes pour récupérer l’énergie électrique de façon efficace. La tension à laquelle l’énergie est récupérée des PCMs influence leur fonctionnement et leurs performances électriques. La puissance délivrée est maximum pour une tension spécifique (environ 1/3 de la tension en circuit-ouvert). Les PCMs peuvent être testées à ce point en utilisant une charge contrôlée automatiquement qui inclut un algorithme de recherche de puissance maximale. Un tel outil a été utilisé pour évaluer la puissance maximum, la vitesse de consommation du combustible, le rendement Coulombic et le rendement de conversion de 10 PCMs à chambre unique de 1.3 L construites de façon similaire. Bien que d’autres choix structurels et opératoires peuvent permettre d’améliorer ces performances, ces résultats ont étudié pour la première fois les performances des PCMs en condition de production d’énergie de point de puissance maximal et testé les PCMs avec des conditions de récupération d’énergie réalistes. Récupérer un maximum d’énergie des PCMs est la ligne directrice de ce rapport. C’est rendu possible par des circuits dédiés de gestion de l’énergie qui embarquent un contrôle contre-réactif pour réguler la tension des PCMs à une valeur de référence qui est égale à une fraction de leur tension en circuit ouvert. Deux scénarios typiques sont développés dans la suite. Une application critique des PCMs concerne le grappillage autonome de petites énergies, pour alimenter des équipements électroniques basse-puissance (e.g. capteurs sans fil). Dans ce cas, les contraintes basse-puissance et basse-tension imposées par les PCMs nécessitent des fonctionnalités de démarrage autonomes. L’oscillateur d’Armstrong, composé d’inductances couplées à fort rapport d’enroulement et d’un interrupteur normalement-fermé permet d’élever des tensions de façon autonome à partir de sources basse-tension continue comme les PCMs. Ce circuit a été associé à des convertisseurs d’électronique de puissance AC/DC et DC/DC pour réaliser respectivement un élévateur-de-tension et une unité de gestion de l’énergie (UGE) auto-démarrante basée sur une architecture flyback. La première est adaptée pour les puissances inférieures à 1mW, alors que la seconde peut être dimensionnée pour des niveaux de puissance de quelques mW et permet de mettre en œuvre une commande qui recherche le point de puissance maximale du générateur. Une seconde application d’intérêt concerne le cas où de l’énergie est récupérée depuis plusieurs PCMs. L’association série peut être utilisée pour élever la tension de sortie mais elle peut avoir des conséquences négatives en terme de performances à cause des non-uniformités entre cellules. Cet aspect peut être résolu avec des circuits d’équilibrage de tension. Trois de ces circuits ont été analysés et évalués. Le circuit “complete disconnection” déconnecte une cellule défectueuse de l’association pour s’assurer qu’elle ne diminue pas le rendement global. Le circuit “switched-capacitor” transfère de l’énergie depuis les MFCs fortes vers les faibles pour équilibrer les tensions de toutes les cellules de l’association. Le circuit “switched-MFCs” connecte les PCMs en parallèle et en série de façon alternée. Chacune des trois méthodes peut être mise en œuvre à bas prix et à haut rendement, la plus efficace étant la “switchedcapacitor”qui permet de récupérer plus de 85% de la puissance maximum idéale d’une association très largement non uniforme. / Microbial fuel cells (MFCs) harness the metabolism of micro-organisms and utilize organic matter to generate electrical energy. They are interesting because they accept a wide range of organic matter as a fuel. Potential applications include autonomous wastewater treatment, bio-batteries, and ambient energy scavenging. MFCs are low-voltage, low-power devices that are influenced by the rate at which electrical energy is harvested at their output. In this thesis, we study methods to harvest electrical energy efficiently. The voltage at which energy is harvested from MFCs influences their operation and electrical performance. The output power is maximum for a certain voltage value (approx. 1/3rd the open-circuit voltage). This noteworthy operating point is favorable in some applications where MFCs are used as a power supply. MFCs can be tested at this point using an automatic load adjuster which includes a maximum power point tracking algorithm. Such a tool was used to evaluate the maximum power, the fuel consumption rate, the Coulombic efficiency and the energy conversion efficiency of ten similarly built 1.3 L single-chamber MFCs. Although structural and operating condition choices will lead to improved performance, these results investigate for the first time the performance of MFCs in continuous maximum power point condition and characterize MFCs in realistic energy harvesting conditions. Harvesting energy at maximum power point is the main thread of the manuscript. This is made possible with dedicated energy processing circuits embedding control feedback to regulate the MFC voltage to a fraction of its open-circuit voltage. Two typical scenarios are developed as outlined below. One critical application concerns autonomous low-power energy scavenging, to supply remote low-power electronic devices (e.g. wireless sensors). In this case, the low-power and low-voltage constraints imposed by MFCs require dedicated self start-up features. The Armstrong oscillator, composed of high turn-ratio coupled inductors and of a normally-on switch, permits to autonomously step-up voltages from a low DC source like MFCs. Although the circuit requires few components, its operation is not trivial because it partly relies on the parasitic elements of the inductors and the switch. Proper sizing of the inductors enables an optimized operation. This circuit can be associated with power electronic AC/DCand DC/DC converters to realize a voltage-lifter and a fly back-based self-starting Power Management Unit (PMU) respectively. The former is suitable for powering levels below 1mW, while the latter can be scaled for power levels of a few units of mW and facilitates implementation of maximum power point control. A second application of interest concerns the case where energy is harvested from several MFCs.Serial association can be used to step-up voltage but may lead to detrimental consequences in terms of performances because of hydraulic couplings between MFCs sharing the same electrolyte (e.g. if the MFCs are running in continuous flow) or because of electrical non-uniformities between cells. Whereas the former issue can be addressed with galvanically insulated PMUs, the latter can be solved with voltagebalancing circuits. Three of these latter circuits were analyzed and evaluated. The “complete disconnection” circuit isolates a faulty cell from the configuration to ensure it does not impede the overall efficiency. The “switched-capacitor” circuit transfers energy from the strong to the weak MFCs to equilibrate the voltages of the individual cells in the stack. The “switched-MFC” circuit alternatively connects MFCs in parallel and in series. Each of the three methods can be implemented at low-cost and at high efficiency, the most efficient one being the “switched-capacitor”, that permits to harvest more that 85% of the ideal maximum energy of a strongly-non-uniform MFC association.

Les Réseaux de Capteurs Sans Fils (RCSFs) sont composés d'une multitude de nœuds, chacun étant capable de réaliser des mesures (température, pression, etc) et de communiquer par radio fréquence. Ces réseaux forment une pierre angulaire de l'Internet des Objets, en étant au cœur de nombreuses applications, par exemple de domotique ou d'agriculture de précision. La limite d'utilisation des RCSFs provient souvent de leurs durées de vie restreintes, les rendant peu intéressants pour des applications nécessitants de longues périodes de fonctionnement en autonomie. En effet, les RCSFs traditionnels sont alimentés par des piles individuelles équipant chaque nœud, et les nœuds sont ainsi condamnés à une durée de vie finie et courte par rapport aux besoins de certaines applications. De plus, changer les piles n'est pas toujours réalisable si le réseau est dense, ou si les nœuds sont déployés dans des environnements les rendant difficile d'accès. Une solution plus prometteuse est d'équiper chaque nœud d'un ou de plusieurs récupérateur(s) d'énergie individuel(s), et ainsi de le rendre capable de s'alimenter exclusivement à partir de l'énergie récoltée dans son environnent. Plusieurs sources d'énergie sont possibles, telles que le vent ou le solaire. Étant donné que les sources d'énergie sont typiquement dynamiques et non contrôlées, ne pas tomber en panne d'alimentation et nécessaire pour garantir un fonctionnement fiable. Comme l'augmentation de la qualité de service engendre souvent une augmentation de la puissance consommée, une solution simple est de configurer la qualité de service au déploiement à une valeur constante suffisamment faible pour éviter la panne d'alimentation. Cependant, cette solution ne permet pas d'exploiter pleinement l'énergie récoltée, et mène ainsi à un gaspillage d'énergie important ainsi qu'à de faibles qualités de service au vu de l'énergie récoltée. Une solution plus efficace est d'adapter dynamiquement la puissance consommée, et donc la qualité de service. Cette adaptation est faite par un composant logiciel appelé gestionnaire d'énergie. Dans cette thèse, deux nouvelles approches pour l'adaptation en ligne sont proposées, l'une s'appuyant sur la théorie du contrôle floue, et l'autre sur l'apprentissage par renforcement. De plus, comme la communication est souvent la tâche la plus énergivore dans les RCSFs, les wake-up receivers sont utilisées dans cette thèse pour réduire le coût des communications. Un modèle analytique générique a été proposé pour étudier différents protocoles de contrôle d'accès au support (Medium Access Control -- MAC), et combiné à des résultats expérimentaux pour évaluer les wake-up receivers. Aussi, un nouveau protocole MAC permettant la sélection opportuniste de relais a été proposé. Enfin, la combinaison des wake-up receivers et de la récolte d'énergie a été étudiée expérimentalement avec un cas pratique. / Wireless Sensor Networks (WSNs) are made of multiple sensor devices which measure physical value (e.g. temperature, pressure...) and communicate wirelessly. These networks form a key enabling technology of many Internet of Things (IoT) applications such as smart building and precision farming. The bottleneck of long-term WSN applications is typically the energy. Indeed, traditional WSNs are powered by individual batteries and a significant effort was devoted to maximizing the lifetime of these devices. However, as the batteries can only store a finite amount of energy, the network is still doomed to die, and changing the batteries is not always possible if the network is dense or if the nodes are deployed in a harsh environment. A promising solution is to enable each node to harvest energy directly in its environment, using individual energy harvesters. As most of the energy sources are dynamic and uncontrolled, avoiding power failures of the nodes is critical to enable reliable networks. Increasing the quality of service typically requires increasing the power consumption, and a simple solution is to set the quality of service of the nodes to a constant value low enough to avoid power failures. However, this solution does not fully exploits the available energy and therefore leads to high energy waste and poor quality of service regarding the available environmental energy. A more efficient solution is online adaptation of the node power consumption, which is performed by an energy manager on each node. In this thesis, two new approaches for online adaptation of the nodes energy consumption were proposed, relying on fuzzy control theory and reinforcement learning. Moreover, as communications are typically the most energy consuming task of a WSN node, emerging wake-up receivers were leveraged to reduce the energy cost of communications. A generic analytical framework for evaluating Medium Access Control (MAC) protocols was proposed, and it was combined to experiments to evaluate emerging wake-up receivers. A new opportunistic MAC protocol was also introduced for "on-the-fly" relay selection. Finally wake-up receivers and energy harvesting were combined and experimentally evaluated in a practical use case.

Abstract This thesis presents measuring techniques as well as measured and simulated results with the aim of helping the design of photovoltaic energy harvesting systems. Therefore, cost-effective measurement setups were developed for collecting the amount of irradiation, for both stationary and moving photovoltaic (PV) installations. The impact of the time resolution of solar radiation data on estimating the available solar energy was investigated. For moving PV installations, the dynamics and the rate of changes in the available irradiation were studied in order to analyse the effects on maximum power point tracking (MPPT) algorithms. In addition, possibilities for harvesting PV energy in indoor environments were also investigated. The main contribution of this thesis is the effective testing of PV cells and complete PV panels: instead of measuring the characteristic I-V (Current-Voltage) response under strictly controlled artificial illumination, photovoltaics are simply biased externally. Then, with the help of synchronized thermography (ST), infrared (IR) images of the PV panel self-heating are recorded. In the obtained IR-images, defected areas are seen as cold spots, since they are not biased by the external power supply. From the calculated temperature variations, the size of the defect area can be calculated and, thus, the loss in output power can be estimated. The method is shown to work both with and without glass encapsulation. / Tiivistelmä Tämä työ esittelee mittaustekniikoita ja mitattuja ja simuloituja tuloksia aurinkoenergian keruujärjestelmien suunnittelun avuksi. Työtä varten kehitettiin kustannustehokas mittausjärjestelmä, jonka avulla arvioitiin aurinkoenergian määrää sekä stationaarisen että liikkuvan valokennon tapauksissa. Näiden lisäksi tutkittiin mittaustaajuuden vaikutusta arvioitaessa saatavilla olevan aurinkoenergian määrää. Liikkuvan PV (photovoltaic)-asennuksen avulla tutkittiin saatavilla olevan aurinkoenergian vaihtelun suuruutta ja nopeutta tarkoituksena analysoida näiden vaikutuksia käytettäviin MPPT-algoritmeihin. Tämä lisäksi tutkittiin myös valoenergian keruumahdollisuuksia sisätiloissa. Työn tärkein kontribuutio on valokennojen ja kokonaisten valopaneelien toiminnallisuuden testaamisen tehostaminen. Tyypillisesti PV:n toiminnallisuus varmistetaan tarkasti määritetyssä ympäristössä suoritetun I-V -ominaiskäyrämittauksen avulla. Tämän työn menetelmä on yksinkertaisesti biasoida PV:t ulkoisesti, minkä jälkeen ST (synchronized thermpgraphy) -kuvauksen avulla määritetään PV-paneelien itselämpenemistä kuvaavat infrapunakuvat. Paneelin vioittuneet alueet erottuvat IR-kuvissa kylminä alueina ulkoisen biasoinnin puuttuessa. IR-kuvista havaituista lämpötilavaihteluista on mahdollista määrittää vioittuneen alueen koko ja siten arvioida myös menetettyä lähtötehoa. Kyseisen metodin toimivuus osoitettiin niin lasikoteloiduilla kuin ilman sitä olevilla PV-paneeleilla.

Afin d’accomplir les promesses des récupérateurs d’énergie vibratoire (VEHs) qui s’imposent comme unealternative majeure pour garantir l’autonomie des capteurs pour la surveillance, leurs performances en termes debande passante et puissance récupérable doivent être améliorées. Dans cette thèse, à la différence des VEHs classiqueslinéaires et multimodales ou non-linéaires et mono-fréquence, on propose une approche de récupérationd’énergie basée sur des réseaux d’aimants couplés en lévitation ou élastiquement guidés combinant les avantagesdes non-linéarités et des interactions modales. Une étude bibliographique sur les récupérateurs d’énergie vibratoireest effectuée. En particulier, les inconvénients des récupérateurs linéaires et les techniques de réglage de fréquencesont présentées. De plus, les méthodes non-linéaires sont présentées pour définir une procédure de résolution permettantl’étude de la dynamique des récupérateurs non-linéaires. Les équations du mouvement qui contiennentla non-linéarité magnétique, la non-linéarité géométrique et l’amortissement électromagnétique sont résolus enutilisant la méthode de la balance harmonique couplée avec la méthode asymptotique numérique. Une méthodologied’optimisation multi-objectif basée sur l’algorithme Non Sorting Genetic Algorithm est appliquée afin decalculer les solutions optimales pour maximiser les performances du récupérateur d’énergie. Grâce au couplagenon-linéaire et aux interactions modales, pour le cas des trois aimants couplés, l’approche proposée permet la récupérationde l’énergie vibratoire dans la gamme fréquentielle 4;6 - 14;5 Hz, avec une bande passante d’environ190 % et une puissance normalisée de 20,2 mWcm-3g-2. / In order to accomplish the promises of vibration energy harvesters (VEHs) as a major alternative to powersensors, their performances in terms of frequency bandwidth and harvested power have to be improved. In thisthesis, unlike classical VEHs either linear and multimodal or nonlinear and mono-frequency, we propose a vibrationenergy harvesting approach based on arrays of coupled levitated or elastically guided magnets combining thebenefits of nonlinearities and modal interactions.A review of VEHs is carried out. Particularly, the design issues of linear harvesters are addressed and frequencytuning techniques are presented. A review of nonlinear methods is also presented in order to define a solving procedureenabling the investigation of the dynamics of nonlinear VEHs. The equations of motion which include themagnetic nonlinearity, the geometric nonlinearity and the electromagnetic damping are solved using the harmonicbalance method coupled with the asymptotic numerical method. A multi-objective optimization procedure isintroduced and performed using a non-dominated sorting genetic algorithm for the cases of small magnet arraysin order to select the optimal solutions in term of performances by bringing the eigenmodes close to each other interms of frequencies and amplitudes. Thanks to the nonlinear coupling and the modal interactions even for onlythree coupled magnets, the proposed method enable harvesting the vibration energy in the operating frequencyrange of 4.6–14.5 Hz, with a bandwidth of 190 % and a normalized power of 20:2mWcm-3g-2.

Significant advances in wind turbine technology have increased the need for maintenance through condition monitoring. Indeed condition monitoring techniques exist and are deployed on wind turbines across Europe and America but are limited in scope. The sensors and monitoring devices used can be very expensive to deploy, further increasing costs within the wind industry. The work outlined in this thesis primarily investigates potential low-cost alternatives in the laboratory environment using vibration-based and modal testing techniques that could be used to monitor the condition of wind turbine blades. The main contributions of this thesis are: (1) the review of vibration-based condition monitoring for changing natural frequency identification; (2) the application of low-cost piezoelectric sounders with proof mass for sensing and measuring vibrations which provide information on structural health; (3) the application of low-cost miniature Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) accelerometers for detecting and measuring defects in micro wind turbine blades in laboratory experiments; (4) development of an in-service calibration technique for arbitrarily positioned MEMS accelerometers on a medium-sized wind turbine blade. This allowed for easier aligning of coordinate systems and setting the accelerometer calibration values using samples taken over a period of time; (5) laboratory validation of low-cost modal analysis techniques on a medium-sized wind turbine blade; (6) mimicked ice-loading and laboratory measurement of vibration characteristics using MEMS accelerometers on a real wind turbine blade and (7) conceptualisation and systems design of a novel embedded monitoring system that can be installed at manufacture, is self-powered, has signal processing capability and can operate remotely. By applying the conclusions of this work, which demonstrates that low-cost consumer electronics specifically MEMS accelerometers can measure the vibration characteristics of wind turbine blades, the implementation and deployment of these devices can contribute towards reducing the rising costs of condition monitoring within the wind industry.