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Suite aux contraintes environnementales imposées à la production classique d’électricité, les énergies à caractère renouvelable se développent très vite grâce aux politiques gouvernementales. En pratique, la nature des sources primaires étant aléatoire, l’introduction d’énergie renouvelable dans un réseau électrique peut impacter le fonctionnement du système électrique et la qualité de la puissance. L’utilisation des méthodes probabilistes dans la planification du système électrique s’avère alors nécessaire pour un système électrique composé d’une quantité importante de sources peu prévisibles. Cependant, ces méthodes probabilistes sont actuellement limitées à la planification long-terme à cause de leur temps de calcul élevé. Dans le cadre de cette thèse, une nouvelle approche probabiliste basée sur un couplage entre la formule des probabilités totales et la méthode de fiabilité du premier ordre est proposée pour l’évaluation de la fiabilité du système électrique à court terme. Elle prend en compte la probabilité de défaillance non prévue des composants du système, l’incertitude dans les prévisions de la production renouvelable et de la consommation. A l’aide de cette méthode, les indicateurs permettant de quantifier la fiabilité de fonctionnement du système électrique et l’utilisation des ressources renouvelables peuvent être déterminés. Grâce à ces indicateurs, la fiabilité du système électrique intégrant des énergies renouvelables peu prévisibles peut être évaluée. Le temps de calcul faible de la méthode permet de l’utiliser pour valider la planification court-terme, qui est faite un jour à l’avance pour la journée considérée (J). / Following the environmental constraints to conventional power generation, renewable energy character grows very quickly thanks to government policies. In practice, the nature of primary sources is random, the introduction of renewable energy in an electrical network may impact the operation of the power system and the quality of the power. The use of probabilistic methods in planning the power system becomes necessary for a power system consisting of a large amount of less predictable sources. However, these probabilistic methods are currently limited to long-term planning due to their high computation time. In this thesis, a new probabilistic approach based on a coupling between the law of total probability and the first order reliability method is proposed to evaluate the reliability of the power system in short-term. It takes into account the probability of unanticipated failure of system components, the uncertainty in forecasts of renewable generation and consumption. With this method, the indicators used to quantify the reliability of the power system and the use of renewable resources can be determined. Therefore, the reliability of the power system incorporating less predictable renewable energy can be evaluated. The low computation time of the method allows it to be used to validate the short term planning, which is made one day in advance to the considered day (J).

La récupération de l’énergie ambiante pour alimenter les systèmes électroniques devient de plus en plus une réalité grâce à la miniaturisation et la diminution importante de leur consommation. Dans ce but, nous avons développé une nouvelle famille de microgénérateurs thermoélectriques capables de produire quelques microwatts dès lors qu’une différence de température de quelques degrés est accessible. Ces microgénérateurs ont été réalisés avec des matériaux non polluants afin de tenir compte des contraintes environnementales qui apparaitront certainement dans un futur proche. Le principe de fonctionnement, classique, est basé sur l’effet Seebeck qui permet de convertir une différence de température en force électromotrice à l’aide d’une thermopile planaire réalisée en couches minces. Pour obtenir de bons résultats, il est nécessaire de concevoir puis de dimensionner précisément une structure tridimensionnelle permettant de transformer un flux de chaleur en une multitude de différences de température au niveau des thermocouples constituant la thermopile. La centrale de technologie silicium de l’IEMN nous a permis de fabriquer plusieurs familles des microgénérateurs correspondant à ces concepts en utilisant les procédés standards de micro-usinage du silicium. Bien sur, avant d’entreprendre une telle réalisation, un modèle analytique approché ainsi qu’un modèle numérique 3D ont été établis afin que le microgénérateur puisse délivrer le maximum de puissance électrique. Les dispositifs réalisés en centrale de technologie ont été caractérisés sur des bancs de mesure développés à cette fin et les résultats obtenus sont proches de ceux attendus. / Energy harvesting for the power supply of electronic systems becomes more and more a reality thanks to the miniaturization and the major reduction in their consumption. In this aim, we developed a new family of thermoelectric microgenerators able to produce a few microwatts when a temperature difference of a few degrees is accessible. These micro generators were carried out with non-polluting materials in order to take into account the environmental requirements which will certainly appear in a near future. The principle of operation is based on the Seebeck effect which makes it possible to convert a temperature difference into electromotive force using a planar thermopile fabricated with thin layers process. To obtain good performances it is necessary to design a three-dimensional structure to transform a heat flux into a multitude of temperature differences onto the thermocouples’ junctions of the thermopile. The silicon technology platform of IEMN enabled us to manufacture several families of micro generators corresponding to these concepts by using the standard processes of silicon micromachining. Of course, before undertaking such a realization, an approximate analytical model as well as a 3D numerical model was established in order to obtain the maximum of electrical power output that the microgenerator can deliver. The devices fabricated in our technology platform were characterized on specific set-up specially developed and experimental results are close to those expected.

La récupération du courant d'écoulement en tant que source d'énergie est une technologie ayant vu un regain d'intérêt depuis le début des années 2000. Le courant d'écoulement est récupéré en faisant passer un liquide dans des canaux microfluidiques ayant une taille de l'ordre de la dizaine de microns. Des travaux récents ont montré des réalisations générant des densités de puissance comparables à celles de méthodes de récupération d'énergie plus connues (piézoélectricité etc...), montrant que le courant d'écoulement peut être employé pour l'alimentation d'électronique de faible puissance. Cependant l'efficacité de transduction reste faible, de l'ordre de quelques pourcents. Une des pistes très prometteuses pour l'amélioration du rendement du phénomène est l'utilisation de surfaces superhydrophobes dans les micro- ou nanocanaux, avec un gain d'efficacité théorisé d'un ordre de grandeur, allant jusqu'à 37%. Cependant, à ce jour très peu de réalisations expérimentales existent sur ce sujet. Mon travail de thèse s'est inscrit directement dans cette problématique, avec l'étude expérimentale de l'influence d'une surface superhydrophobe constituée d'un tapis de nanofils de silicium dans la récupération du courant d'écoulement. J'ai ainsi réalisé plusieurs récupérateurs d'énergie avec des canaux hydrophiles, hydrophobes et superhydrophobes et j’ai effectué leur caractérisation électrique. En dépit de problèmes de répétabilité et de dégradation des surfaces, une amélioration de la puissance récupérée a été mesurée pour la surface superhydrophobe par rapport à une surface hydrophobe. / Since the beginning of the last decade streaming current has seen renewed interest as a type of renewable energy harvesting. The streaming current is a phenomenon arising when a fluid moves through a porous medium or microchannels, and can be harvested as an electric current and potential. Recent works have shown power densities comparable to other energy harvesting techniques such as piezoelectricity, which opens the way to streaming current as a mean of powering low-power electronics such as wireless sensor networks. However, harvesting efficiencies have yet to reach higher than a few percents. A promising possibility is the use of superhydrophobic surfaces inside the microchannels, with theory predicting efficiencies nearing 40%. However, as of today very little experimental data is available to confirm or infirm this theory. My PhD work aimed at increasing the experimental data on whether energy harvesting streaming current through superhydrophobic microchannels increases the power generated. I have designed and fabricated several microfluidic energy harvesters with microchannel hydrophilic, hydrophobic or superhydrophobic surfaces, and characterized their electrical properties. Despite reproducibility issues and surface degradation, a net gain in power output has been recorded for superhydrophobic surfaces.

La croissance du trafic ferroviaire prévue dans les années à venir pousse les acteurs du système d'électrification ferroviaire à chercher des solutions innovantes leur permettant d'assurer la consommation d’énergie qui y est liée. Une des solutions concerne l'intégration de moyens de production décentralisés et des systèmes de stockage d'énergie dans les installations fixes de traction électrique (IFTE). Dans cette évolution, la thèse vise à contribuer à la conception d'un outil de dimensionnement et de gestion énergétique intelligente des IFTE hybrides (IFTEH). La première partie décrit une méthodologie de conception technico-économique d’IFTEH. A partir d'une architecture générique d'IFTEH, une démarche d'optimisation sur cycle des variables dimensionnelles, mais également des variables de commandes du système de pilotage est proposée. La modélisation en flux d'énergie de l'IFTEH permet ensuite d’appliquer la méthodologie d’optimisation sur un cas d’étude et de comparer plusieurs scénarios d’optimisation. Après le dimensionnement de l'IFTEH, une méthodologie de gestion énergétique est développée afin de répondre aux objectifs énergétiques, économiques et environnementales, à différents horizons temporels de supervision d'IFTEH. Plusieurs scénarios de gestion sont évalués en simulation à travers des indicateurs de performance représentatifs des gains du système. Une étude d’optimisation des paramètres de supervision apporte des réponses concernant l’influence du dimensionnement du système sur la gestion énergétique. Enfin, la robustesse de la supervision énergétique d’IFTEH est analysée lors de la validation expérimentale à l’échelle de puissance du laboratoire. / In railway traffic increasing and electricity market liberalization context, railway actors are determined to consider innovative solutions to handle the increasing energy demand for electrical traction. One of the solution concerns the integration of decentralized production and energy storage systems in the railway power substations (RPS). The present research work aims to contribute to the design of a sizing and intelligent energy management tool for the hybrid RPS (HRPS). In the first part of the dissertation, a methodology for the techno-economical design of the HRPS is described. From a HRPS generic architecture, an optimization approach is proposed by considering cycles of dimensional and system control variables. Furthermore, an energy flow model permits to apply the optimization methodology on a study case and to compare different optimization scenarios in order to analyze the sizing and optimal planning of electrical sources and loads for a typical day. After sizing the HRPS, an energy management methodology is developed in order to achieve energy, economic and environmental objectives at different time levels of HRPS supervision. Several energy management scenarios are evaluated in simulation through adapted system gain indicators. An optimization study of the supervision parameters provides additional answers concerning the influence of the system design on its management strategy. Eventually, the HRPS energy management robustness is analyzed during an experimental setup phase at laboratory power scale.

Les convertisseurs thermoélectriques conventionnels, exploitant l’effet Seebeck, sont constitués de matériaux massifs. Ce principe de conversion est fortement limité par les propriétés antagonistes de tout matériau massif à savoir la conductivité électrique et la conductivité thermique. De manière alternative, une technique de conversion directe basée sur l’émission thermoélectronique a été développée et révèle un rendement élevé à haute température. Le principe d’injection thermoélectronique est fortement limité par le travail de sortie, barrière énergétique que doit surmonter un électron pour être extrait de l’électrode. Un moyen de contourner cette difficulté est de fonctionnaliser la surface des électrodes avec un matériau à faible travail de sortie, typiquement 1eV. Le potassium et le césium ainsi que leurs oxydes ont été identifiés par la littérature comme matériaux candidats pour la fonctionnalisation de surface des électrodes réduisant considérablement leur travail de sortie, entre 0.4eV et 0.9eV. Leur utilisation a permis d’élargir le domaine de température pour lequel le convertisseur d’énergie thermoélectronique est efficace, s’approchant davantage du rendement limite de conversion de Carnot. / One main challenge associated with solid-state thermoelectric materials is to combine electron-crystal electrical conductivity and phonon-glass thermal properties that are difficult to conciliate. A markedly different principle of thermoelectric conversion is based on the micro thermionic generator that exploits electron injection and heat rejection across two electrodes, hot and cold, immersed in vacuum, a promising pathway to new electronic devices. To properly operate thermionic emission converters near room temperature, highly efficient emitting electrodes must be integrated. This naturally motivates the development and characterization of thin films that feature a very low work function lower than 1eV. Even better than alkalis like K and Cs, their oxides have been reported to produce work functions as low as 0.4 and 0.9eV respectively. The work function of the electrodes of the micro thermionic generator has been effectively reduced and the efficiency is much closer than the Carnot limit.

La thermoélectricité convertit fiablement l’énergie thermique en énergie électrique de manière directe, silencieusement et sans vibrations. Dans le contexte des réserves limitées en énergies fossiles, de l’effet de serre et de besoin énergétiques mondiaux en hausse, la récupération d’énergie thermique dissipée peut être une solution d'appoint. Un bon matériau thermoélectrique intègre des propriétés antagonistes : haute conductivité électrique (σ) et faible conductivité thermique (κ). La thermoélectricité conventionnelle utilise des matériaux nocifs, complexes, coûteux et incompatible avec des techniques de fabrication massive ex. CMOS rendant la thermoélectricité peu populaire sur le marché. En revanche, les matériaux CMOS, à savoir le silicium (Si), le germanium (Ge) et le silicium-germanium (SixGe1-x), sont simples, facilement approvisionnables et industriellement compatibles. Ils offrent une excellente conductivité électrique (σ) mais leur utilisation dans la thermoélectricité est limitée par une conductivité thermique (κ) trop élevée. Les progrès récents dans les domaines de micro et nano-fabrication permettent de réduire κ sans affecter σ. Cela permet de fabriquer des générateurs thermoélectriques (TEG) compatibles CMOS, tout en gardant une production massive réduisant le coût. Les simulations présentées placent Si, Ge et SixGe1-x dans une position compétitive par rapport aux matériaux thermoélectriques conventionnels, à condition de réduire substantiellement κ. Une réduction de la conductivité thermique d'un facteur 3 a été expérimentalement démontrée dans des membranes de Si intégrées au sein d'une plateforme micrométrique conçue, fabriquée et caractérisée dans le cadre de cette thèse. / Thermoelectricity converts heat into electric energy in a silent, direct, vibrationless and reliable way. In light of limited reserves in fossil fuels, increasing greenhouse effect and constantly rising worldwide demand in energy, recovering heat losses can be a solution. Good thermoelectric material integrates antagonistic properties: high crystal-like electrical (σ) and low glass-like thermal (κ) conductivities. Conventional thermoelectricity uses materials that are harmful, complex, expensive and incompatible with mainstream fabrication technologies e.g. CMOS making thermoelectricity unpopular. In constrast, CMOS materials, namely Silicon (Si), Germanium (Ge) and Silicon-Germanium (SixGe1-x), are simple, easy-to-get, cheap and industrially compatible offering a high electrical conductivity (σ). However, their usage in thermoelectricity is hindered due to a prohibitive thermal conductivity (κ). Recent progress in nano- and micro-fabrication opened new possibilities to reduce κ with minor impact on σ. This opportunity enables fabrication of CMOS compatible ThermoElectric Generators (TEGs) enabling massive production and cost reduction which can significantly popularize TEGs on the market. Our modelling approach place Si, Ge and SixGe1-x in a competitive position compared with conventional thermoelectrics providing that their high bulk κ can be substantially reduced. Within the framework of this thesis, a 3-fold size induced κ reduction in Si is experimentally obtained based on a micrometer measurement platform that has been designed, fabricated and characterized in this work.

La thermoélectricité rencontre un intérêt croissant ces dernières années comme source d'énergie alternative pour l’alimentation de dispositifs micro- et nano- électroniques. Les matériaux thermoélectriques transforment par effet Seebeck une différence de température en énergie électrique utile. Dans les dispositifs thermoélectriques, l’énergie perdue en général sous forme de chaleur résiduelle peut ainsi être recyclée en utilisant les gradients de température existants. L'efficacité thermoélectrique dépend des propriétés électroniques du matériau et de sa conductivité thermique κ. Le silicium présente une très bonne conductivité électrique et un coefficient Seebeck prometteur, mais sa conductivité thermique phononique limite fortement son potentiel pour des applications thermoélectriques, du moins sous forme de matériau massif. Par contre, la nanostructuration du silicium en couches minces, et a fortiori la fabrication de cristaux phononiques permet de réduire fortement la conductivité thermique. Dans ce travail, des simulations de dynamique moléculaire sont réalisées pour confirmer cette stratégie et permettre la définition d'un design optimal de membranes perforées. De plus, le travail expérimental montre différentes méthodologies de fabrication de membranes phononiques de silicium intégrées dans une plate-forme de métrologie. Plusieurs techniques de caractérisation (Electrothermique, Raman et Microscopie à sonde thermique) ont ensuite été utilisées pour déterminer la conductivité thermique des membranes. Une réduction considérable de κ est obtenue pour le silicium, permettant d’envisager l’intégration de ces membranes dans un convertisseur thermoélectrique. / In the last twenty years, the continuous seek for alternative energy sources to power micro- and nano-electronic devices has marked the rise of interest toward thermoelectricity. Thermoelectric materials can turn directly, by Seebeck effect, the temperature difference into useful electric power. The energy lost as waste heat can be re-used as a power source. It is known that, to improve thermoelectric efficiency, an important role is played by material’s electronic properties and its thermal conductivity. Silicon exhibits very good electrical conductivity and Seebeck parameter, but its lattice thermal conductivity represents the bigger obstacle for thermoelectric applications, preventing its direct integration as bulk material. It has been demonstrated that nanostructuring silicon in thin films enables the reduction of thermal conductivity down to one order of magnitude. Furthermore, a supplementary decrease of thermal conductivity is possible by periodical patterning of the silicon thin film in a photonic-like way, creating Phononic Crystals (PnCs). In our work molecular dynamics simulations are performed to confirm the trend envisaged and allow the definition of an optimal design for the patterned membranes. Moreover, our experimental work lists different fabrication methodologies of silicon phononic engineered membranes integrate into a metrology platform. Several characterization techniques (Electrothermal , Raman thermometry, Scanning Thermal Microscopy) are used to determine the membranes thermal conductivity. A considerable reduction of κ is obtained for silicon, paving the way for a prospective integration of those membranes into a thermoelectric converter.

Η παρούσα διπλωματική πραγματεύεται την μελέτη ενός αιολικού συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας συνδεδεμένο στο δίκτυο χαμηλής τάσης. Το αιολικό σύστημα συγκροτείται από μία σύγχρονη γεννήτρια μόνιμων μαγνητών και διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος που μετατρέπουν αρχικά την εναλλασσόμενη τάση σε συνεχή και στη συνέχεια τη συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη συχνότητας 50Hz για τη σύνδεση με το δίκτυο. Πιο συγκεκριμένα, χρησιμοποιούνται κατά σειρά μία μη ελεγχόμενη ανορθωτική γέφυρα με διόδους για την ανόρθωση της τάσης, ένας μετατροπέας για την ανύψωση και σταθεροποίηση της τάσης τύπου Boost και τέλος ένας μονοφασικός αντιστροφέας με MOSFET. Σκοπός της εργασίας είναι η μελέτη, η προσομοίωση στον υπολογιστή καθώς και η κατασκευή της τελευταίας βαθμίδας σύνδεσης με το δίκτυο, δηλαδή του μονοφασικού αντιστροφέα. / This project deals with the study of a wind power system of production of electric energy which is connected in the low voltage network. This wind power system is constituted by a synchronous generator of permanent magnets and also by power electronics that convert the alternating voltage (A/C), which is produced by the generator, to continuous voltage (D/C) and back again to alternating voltage of 50Hz frequency in order to establish a connection with the network. In particular, we used a non controlled rectifier with diodes for the rectification of the voltage, a Boost converter for the elevation and the stabilisation of the voltage, a single-phase inverter with MOSFETs and finally a single-phase transformer. The goal of this project is the study, the simulation as well as the manufacture of the last part of the previous wind power system that is the single-phase inverter.

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