Le développement des équipements portables, des réseaux de capteurs sans fil et systèmes auto-alimentés d'une manière générale génère une forte demande pour les dispositifs de récupération de micro-énergie. Une des voies les plus intéressantes pour auto-alimenter des dispositifs consiste à développer des systèmes recyclant l'énergie ambiante afin de renouveler sans cesse l'énergie consommée par le dispositif. En dehors de la récupération d'énergie électromécanique, il est également intéressant de convertir l'énergie thermique, qui est «disponible» partout, en énergie électrique. Au cours de cette thèse, la conversion d’énergie thermique en énergie électrique fondée sur des variations temporelles de température a été développée et améliorée. Parmi les matériaux ferroélectriques, des monocristaux de PZN-4.5PT et le terpolymère P(VDF-TrFECFE) 61.3/29.7/9 mol % ont été choisis comme matériaux actifs en raison de leurs propriétés remarquables sous champ électrique. En utilisant des cycles thermodynamiques intelligents, par exemple, Ericsson ou à cycle de Stirling, l'efficacité de la conversion de l'énergie pourrait être considérablement améliorée. Dans la première partie, la récupération d'énergie pyroélectrique en utilisant des monocristaux de PZN-4.5PT a été principalement étudiée sous deux aspects: l'effet de fréquence et des transitions de phase sur les cycles d’Ericsson. Il a été montré que l'énergie récupérée diminue de façon non linéaire avec une augmentation de la fréquence. De plus, l’utilisation optimale des transitions de phase pendant le cycle d’Ericsson permet d’améliorer grandement l’énergie récupérée en choisissant une gamme de température de travail appropriée. A partir de ces résultats, deux cycles d’Ericsson asymétriques (LH et HL) ont été réalisés avec succès. Avec les monocristaux de PZN-4.5PT, le cycle HL est le cycle le plus efficace pour la conversion d’énergie thermique en énergie électrique. La deuxième partie traite de la récupération d'énergie électrostatique via la variation non linéaire de la capacité du terpolymère P(VDF-TrFE-CFE) 61.3/29.7/9 mol %. Un cycle d’Ericsson a été réalisé entre 25 et 0°C et comparé à sa simulation à partir de la valeur de la constante diélectrique sous champ électrique DC. La concordance entre la simulation et l’expérience a prouvé la fiabilité de notre évaluation théorique. A partir de la simulation, l'énergie récupérée augmente jusqu'à 240 mJ/cm3 en appliquant un champ électrique de 80 kV/mm. Des cycles de Stirling et d’Ericsson ont également été simulés sous différentes variations de température et champ électriques. L'énergie récupérée augmente avec l’accroissment de la variation de température et de la valeur du champ électrique appliqué et ceci quelque soit le cycle réalisé. Contrairement au cycle d’Ericsson, un cycle de Stirling peut récupérer plus d'énergie pour une même énergie injectée. / The development of portable equipments, wireless sensors networks and self-powered devices in a general manner generates a strong demand for micro-energy harvesting devices. One of the most challenging ways to self power devices is the development of systems that recycle ambient energy and continually replenish the energy consumed by the system. Apart from electromechanical energy harvesting, it is also interesting to convert thermal energy, which is “available” everywhere, into suitable electrical energy. In this thesis, the thermal to electrical energy conversion from temperature fluctuations was developed and improved, and the feasibility of this technique was also confirmed by implementing the experimental experiment. Among different ferroelectric materials, PZN-4.5PT single crystal and P(VDF-TrFE-CFE) 61.3/29.7/9 mol% were chosen as active materials due to their outstanding properties under electric field. By means of some intelligent thermodynamic cycles, e.g., Ericsson or Stirling cycle, which has been presented in previous research, the efficiency of energy conversion could be improved greatly. In the first part, pyroelectric energy harvesting on PZN-4.5PT single crystals with an Ericsson cycle was mainly investigated from two aspects: frequency effect and phase transitions. It was shown that the harvested energy demonstrated a nonlinear decrease with an increase of frequency, and the optimal use of the phase transitions during the Ericsson cycle could greatly improve the harvested energy by choosing the appropriate working temperature range. Based on it, two asymmetric Ericsson models (L-H and H-L cycles) were attempted successfully, and it was confirmed that the H-L cycle is the most effective thermal energy harvesting cycle for this material. The second part concentrated on electrostatic energy harvesting by nonlinear capacitance variation on P(VDF-TrFE-CFE) 61.3/29.7/9 mol% terpolymer. Ericsson cycle was tested experimentally between 25 and 0°C and compared with the simulation from dielectric constant values obtained under DC electric field. The identical result between simulation and experiment proved the reliability of our theoretical evaluation. It was found, from simulation, that the harvested energy increased up to 240 mJ/cm3 when raising the electric field at 80 kV/mm. The further study on Ericsson and Stirling cycle was also made under different temperature and electric field conditions for evaluation. The harvested energy increases with the rising of temperature variation and electric field in both cycles, but in contrast to Ericsson cycle, Stirling cycle can harvest more energy for the same injected energy.

Les systèmes de récupération d’énergies basées sur les vibrations mécaniques environnantes suscitent l’intérêt depuis de nombreuses années. Augmenter l’efficacité de la conversion d'énergie est primordial, mais celle-ci pour être bien maitrisée, passe par la mise au point de modèles précis et notamment par la prise en compte des lois régissant les matériaux piézoélectriques. En effet, ces matériaux sont à la base des couplages mécano/électriques et il est capital de comprendre comment ils fonctionnent quelque soit l'excitation externe. Un modèle précis du matériau ferroélectrique est indispensable pour établir des critères de conception des prototypes et leur optimisation. Dans cette thèse, un modèle précis, temporel, large bande tenant compte de l’ensemble des non-linéarités d’une céramique piézoélectrique a été développé. L’utilisation d’opérateurs fractionnaires a permis d’augmenter fortement la bande de fréquence de validité du modèle. Le modèle permet notamment de prévoir l’évolution de la polarisation diélectrique ainsi que le déplacement mécanique de l’échantillon testé et ceci quelque soit le type de stimulation (contrainte mécanique pure, champ électrique et même excitation hybride électriques/mécaniques). La dérivé fractionnaire a dans un premier temps été utilisée pour l’hystérésis sous excitation électrique pour décrire le comportement dynamique de la polarisation diélectrique. En effet, au delà d’un seuil de fréquence, lorsque l’état du matériau n’est plus quasi-statique, une contribution dynamique apparaît. Cette contribution joue un rôle primordial lorsque les niveaux de fréquence et d’amplitude sont élevés. La même étude a ensuite été menée sous contrainte mécanique, et le même opérateur fractionnaire a été utilisé avec succès. Nous avons entre autre constaté que sur un même échantillon les paramètres de simulation établis sous champ électrique étaient conservés sous contrainte mécanique. Ensuite, un modèle inverse permettant d’imposer la forme d’onde de la polarisation ou du déplacement a été proposé. Pour une polarisation ou un déplacement donné, le modèle inverse permet de déterminer avec précision l’effort mécanique à appliquer sur la céramique piézo-électrique. Ces modèles sont nécessaires pour optimiser une forme d’onde de contrainte mécanique ou électrique et obtenir un rendement supérieur des systèmes récupérateurs d’énergie. En effet, une nouvelle technique couplée champ électrique/contrainte mécanique de récupération d’énergie est présentée à la fin de la thèse, technique qui nous a permis de valider l’utilisation du modèle. L’utilisation du modèle permet d’optimiser la mise au point d’un prototype mais également d’obtenir la valeur exacte du rendement de la méthode en rendant compte notamment des pertes diélectriques. Dans la thèse, le modèle sous ses différentes variantes est décrit de manière exhaustive. / Energy harvesting based on mechanical vibration has been a long time research topic for the last few decades. In addition to enhancing the energy conversion amount, another objective is to master and give a precise model with consideration of the disciplines of piezoelectric material behavior. A precise model for the ferroelectric material is mighty needed in the energy harvesting process, so as to give an instruction to the prototype designing and modelling optimizing. In this thesis, a model working on wide bandwidth considering the nonlinearity of the piezoceramic has been developed. The employment of the fractional derivative has broadened the usage of this model on expanded bandwidth. The model permit to predict the evolution of the dielectric polarization as well as the mechanical displacement, which has been tested on different samples under different kinds of stimulation (pure mechanical, pure electrical and hybrid of electrical and mechanical excitations). This fractional derivative factor has been first developed under electrical excitations to describe the dynamic behavior. In the development of this model to mechanical field, the fractional derivative factor was found available as well under the mechanical excitation in the same value. In the following study, an inverse of mechanical model has been developed as well. In the end, we stimulate the piezoceramic using both electrical and mechanical excitation to augment the energy harvesting amount which could become a promising method in energy harvesting field. Every model has been exhaustively demonstrated and specific measuring benches have been established to validate these models. Experiments results and simulations in different kinds of excitations (amplitudes, frequencies) for every kind of the above models have been compared. Good approximation has been acquired indicating the model has a good accuracy in describing the material property and dynamic behavior.

La conception d'un microsystème de conversion d'énergie éolienne représente le cœur de cette étude. L'attention est dérivée vers le générateur sans balais à aimant permanent et auto-commutation, avec la configuration de rotor externe et des tensions électromotrices de forme trapézoïdale. L'objectif global de la thèse est représentée par la tentative de déterminer les paramètres optimaux de conception géométriques et électriques du générateur qui donne les plus faibles pertes totales dans le système, en fonctionnant sous un cycle du vent à long terme et ainsi en augmentant l'efficacité globale du système. En avance à l'optimisation, un modèle de simulation adapté doit être développé en termes de précision des résultats et du temps de simulation. Cela se fait dans la première partie de la thèse en déterminant le niveau de modélisation, ainsi que les variables de conception de chacun des composants du système. Comme l'optimisation fait appel à un algorithme pour le processus de conception, la réduction du temps de simulation a été étudiée dans la troisième et la quatrième partie de la thèse, en développant une méthode appropriée qui permet l'intégration et l'exploitation des données provenant du profil de vitesse du vent lors la détermination de la totalité des pertes de puissance du système. Par la suite, la méthode d'optimisation est présentée, même les résultats optimaux obtenus, ainsi que la comparaison de plusieurs paramètres d'entrée / sortie. Enfin, des essais expérimentaux sont également effectués sur un générateur de référence afin de vérifier la technique de commutation et de contrôle électronique. / The design of a micro-wind energy conversion system represents the core of this study. The attention is derived towards the brushless DC permanent magnet generator with outer rotor configuration and trapezoidal induced back-EMF voltages. The global aim of the thesis is represented by the attempt of determining the optimal geometrical and electrical design parameters of the BLDCPM generator that give the minimum total power losses in the system, over long-term wind speed cycle operation and thereby increasing the efficiency of the overall system. In advance to the optimization, an adapted simulation model needs to be developed in terms of results accuracy and simulation time. This is done in the first part of the thesis by determining the modeling level, as well as the design variables of each component of the system. As the optimization appeals to an algorithm for the design process, the reduction of the simulation time has been investigated in the third and fourth part of the thesis by developing a suitable method that allows the integration and exploitation of the available data from the wind-speed profile when determining the totality of the power losses in the system. Afterwards, the optimization methodology is presented along with the optimum results obtained, as well as comparison of several input/output parameters. Finally, experimental tests are also carried out on a reference BLDCPM machine prototype in order to verify its electronic commutation and control technique

Les polymères électroactifs (PAE), sont des matériaux permettant de réaliser une conversion entre l'énergie électrique et mécanique. L'objet de ce travail est de proposer des procédés de modifications des terpolymères électrostrictifs par voies composites basés sur différentes approches dans le but d’améliorer les performances électromécaniques et de développer des applications à partir de ces matériaux modifiés. Dans un premier temps, un nano-composite à base de terpolymère et de noir de carbone a été préparé pour améliorer la permittivité diélectrique. Dans un deuxième temps, sur la base de la nature hétérogène de terpolymère semi-cristallin ainsi que du rôle important que la polarisation interfaciale joue sur la réponse diélectrique et électromécanique, une faible quantité d’agent plastifiant (bis (2-ethylhexyl) phalate (DEHP)) a été introduite dans le terpolymère électrostrictif afin de former un composite tout organique permettant l'amélioration des performances électromécaniques. Enfin, l’utilisation de ces matériaux modifiés dans deux applications spécifiques a été étudiée: La récupération de l'énergie mécanique et une pompe microfluidique sans valve. / Electroactive polymers (EAPs), which can realize the conversion between electrical and mechanical energy, have been emerging as one of the most interesting smart materials in the past two decades due to their low density, excellent mechanical properties, ease of processing, low price and potential applications in the fields of sensors, actuators, generators, biomimetic robots and so on. The object of this work is to modify electrostrictive terpolymers with different approaches to improve the electromechanical performances and to develop some applications based on modified terpolymers. Firstly, an organic/inorganic (terpolymer/carbon black) nanocomposite was prepared to improve the dielectric permittivity based on the percolation theory. Secondly, based on the heterogeneous nature of semi-crystalline terpolymer and the important role that interface polarization plays for dielectric and electromechanical response, small molecular plasticizer bis(2-ethylhexyl) phalate (DEHP) was introduced into electrostrictive terpolymer to form an all-organic polymer composite with improved electromechanical performances. Finally, two applications including mechanical energy harvesting and microfluidic pump based on DEHP modified terpolymers were investigated.