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).

Ce travail s'inscrit dans le cadre de la recherche des solutions d’économie d'énergie du bâtiment tout en utilisant des sources naturelles et renouvelables (Energie solaire pour le chauffage et la géothermie pour le rafraîchissement). Il est nul besoin de rappeler que l'Algérie dispose d'un potentiel énergétique hélio géothermique important. Dans ce travail de thèse on s'intéresse particulièrement à l'étude du confort thermique (hiver et été) dans l'habitat alimenté par un plancher hydraulique réversible. Pour mener à bien cette étude, nous disposons d'un gisement solaire important d'une part et d'autre part d'un dispositif expérimental à échelle réelle. Une pièce munie d'un plancher hydraulique réversible (chauffant ou rafraichissant) est instrumentée. Une citerne de stockage enfuie à quelques mètres de la surface du sol afin de bénéficier du rafraichissement géothermique. Un service d'asservissement permettant la régulation du système en fonctionnement mode chauffage ou mode rafraichissement. Plusieurs sondes de mesures reliées à une station d'acquisition qui est reliée à un ordinateur permettent le suivi des évolutions de températures. La modélisation de la structure de l'enveloppe de la cellule et l'évolution de la température de l'air intérieur et celle des parois sont réalisées sous le logiciel TRNSYS. A l'aide des résultats obtenus par TRNSYS, logiciel FLUENT nous a permis de modéliser la tache solaire et son influence sur le plancher chauffant sous les conditions climatiques de la ville d'Oran.Après validation, la simulation numérique est utilisée pour étudier le comportement thermique de la cellule, les performances énergétiques du plancher réversible et le calcul des économies d'énergie que l'on pourrait réaliser avec de tels systèmes. / This work is part of the search for energy saving solutions in the building industry while using natural and renewable sources, such as solar energy for heating and geothermal energy for refreshment. There is no need to recall that Algeria has a very large geothermal gravitational energy potential in view of its geographical position.In this thesis work, we are particularly interested in the study of thermal comfort in the case of a housing powered with a reversible hydraulic floor (heating and cooling).To carry out this study, as we can see Algeria have an important solar field and on the other hand we use an experimental system representing a real scale local. To do this, a room with a reversible hydraulic floor (heated or refreshing) is instrumented. A storage tank buried in the ground at few meters from the ground surface is used for thegeothermal refreshment during the warm periods. A service system allows us to regulate the system in heating or cooling mode. Several measuring probes used are connected to an acquisition station which is connected to a computer for monitoring of temperature évolutions.The modeling of the structure of the cell envelope is carried out under the TRNSYS software. With this, we have access to evolutions of the temperatures of the indoor air and to that of the walls. These results obtained by TRNSYS are used in a second step as input data for the FLUENT software. This allows us to model the solar spot and its influence on the heating floor under the climatic conditions of the city of Oran.After validation, numerical simulation is used to study the thermal behavior of the cell, the energy performance of the reversible floor and the calculation of the energy savings that could be achieved with such systems.

L´intérêt grandissant pour les bâtiments à haute efficacité énergétique nécessite le développement de nouveaux types d´enveloppe active et multifonctionnelle pouvant couvrir une partie des besoins énergétiques du bâtiment. Les travaux présentés dans cette thèse concernent le développement de capteurs hybrides solaires photovoltaïques thermique pour la production simultanée d´eau chaude sanitaire et d´électricité au sein d´un unique capteur. L’objectif de cette thèse a été dans un premier temps d´analyser la faisabilité et la complexité du concept de capteur hybrides PV-T. Puis, à partir d’un modèle numérique développé spécifiquement pour appuyer la phase de conception du capteur PV-T les raisons expliquant la limitation des performances de tels capteurs ont été analysées, pour enfin proposer différentes solutions innovantes, tant au niveau des cellules solaires que des matériaux du modules PV et du design du capteur final afin d´en augmenter les performances. L´approche développée est par conséquent multi-échelle allant de la prise en compte des phénomènes physiques pris isolément, des propriétés locales des matériaux jusqu’à la mise en œuvre d’un composant et à l´analyse énergétique et exergétique de ses performances dans un environnement numérique dédié au bâtiment. / In the context of greenhouse gas emissions and fossil and fissile resources depletion, solar energy is one of the most promising sources of power. The building sector is one of the biggest energy consumers after the transport and industrial sectors. Therefore, making use of a building’s envelope (façades and roofs) as solar collecting surfaces is a big challenge facing local building needs, specifically in regard to heat, electricity and cooling. However, available surfaces of a building with suitable orientation are always limited, and in many cases a conflict occurs between their use for either heat or electricity production. This is one of the reasons why the concept of a hybrid photovoltaic-thermal (PV-T) collector seems promising. PV-T collectors are multi-energy components that convert solar energy into both electricity and heat. In fact, PV-T collectors make possible the use of the large amount of solar radiation wasted in PV modules as usable heat in a conventional thermal system. Therefore, PV-T collectors represent in principle one of the most efficient ways to use solar energy (co-generation effect). However, such a concept still faces various barriers due to the multidisciplinary knowledge requirements (material, semi-conductors, thermal) and to the complexity of the multiple physical phenomena implied in such concepts.The objective of this PhD work is to carry out a study based on a multi-scale approach that combines both numerical and experimental investigations regarding the feasibility of the concept of hybrid solar collector. The performance of such components is estimated through an appropriate design analysis, and innovative solutions to design an efficient PV-T collector are presented. Based on improved processing methods and improved material properties, an efficient covered PV-T collector has been designed and tested. This collector was made of PV cells connected to the surface of an optimized flat heat exchanger by an improved lamination process and covered on the front side by a static air layer and AR-coated glass pane and on the back side by thermal insulation material. The results showed a significant improvement of both thermal and electrical efficiency in comparison to all previous works on PV-T concepts found in the literature. System simulations were carried out for a hot water system with the software TRNSYS in order to get a clearer statement on the performance of PV-T collectors. The results show that the integration of PV-T collectors can be more advantageous than standard solar components in regard to thermodynamic considerations (energy and exergy) and environmental considerations (CO2 and primary energy saving).

L'introduction des nouvelles machines frigorifiques à absorption des petites puissances ouvre des nouvelles perspectives pour les systèmes solaires multifonction multi-source (SYSMFS) qui exploitent le potentiel de l'énergie solaire pour le chauffage, le refroidissement et la préparation de l'eau chaude sanitaire (ECS). Les systèmes solaires combinés (SSC), qui ont précédés les SYSMFS, manquaient néanmoins une procédure adaptée pour le dimensionnement de leurs composants principaux : le panneau solaire et le ballon solaire de stockage thermique. De point de vue de l'énergie et du coût d'investissement et d'exploitation, une méthode de dimensionnement basée sur le pic de charge ne conviendrait pas si la source d'énergie n'est pas garantie d'être stable dans le temps. Une optimisation des composants principaux par la simulation peut être alors une solution clef pour le dimensionnement optimal de SYSMFS. À partir des informations sur les SSC trouvées dans la littérature et celles de fabricant de la machine frigorifique, un schéma hydraulique initial a été élaboré pour un SYSMFS. La modélisation de ce schéma est complexe car des simulations et des modifications répétitives ont été nécessaires pour éliminer les problèmes potentiels de convergence de la solution. A partir de cette expérience, une méthodologie de conception assistée par simulation a été élaborée afin d'en profiter pour des modélisations similaires. En tant que telle, le modèle devrait être prêt pour la phase l'optimisation. Une étude paramétrique a été menée sur le modèle SYSMFS ; elle offre les donnés requises pour la comparaison des algorithmes d'optimisation qui sont testés par la suite. Le résultat de cette étude est une surface de réponse qui représente le coût du SYSMFS en fonction de la superficie du panneau solaire et du volume de stockage thermique du ballon solaire. Pour réduire le nombre des simulations requis par une étude paramétrique complète, l'utilisation d'un algorithme d'optimisation est nécessaire. Un algorithme basé sur le plan d'expérience (OptDOE) a été développé et sa performance est comparée avec celles d'un algorithme d'optimisation hybride sur une fonction de référence de Rosenbrock et sur le modèle SYSMFS. Comparé à l'algorithme hybride, OptDOE a montré une bonne performance. Le nombre de simulations est réduit et les valeurs optimales trouvées, par cette méthode, sont porches de celles de l'étude paramétrique L'OptDOE permet également de décrire le comportement du modèle SYSMFS au voisinage de l'optimum avec une fonction coût approximée. Cette information est importante surtout au cas où la fonction coût a la forme d'une vallée. Dans ce cas, des valeurs différentes de l'optimum donnent presque le même coût global.

L’introduction des nouvelles machines frigorifiques à absorption des petites puissances ouvre des nouvelles perspectives pour les systèmes solaires multifonction multi-source (SYSMFS) qui exploitent le potentiel de l’énergie solaire pour le chauffage, le refroidissement et la préparation de l’eau chaude sanitaire (ECS). Les systèmes solaires combinés (SSC), qui ont précédés les SYSMFS, manquaient néanmoins une procédure adaptée pour le dimensionnement de leurs composants principaux : le panneau solaire et le ballon solaire de stockage thermique. De point de vue de l’énergie et du coût d’investissement et d’exploitation, une méthode de dimensionnement basée sur le pic de charge ne conviendrait pas si la source d’énergie n’est pas garantie d’être stable dans le temps. Une optimisation des composants principaux par la simulation peut être alors une solution clef pour le dimensionnement optimal de SYSMFS. À partir des informations sur les SSC trouvées dans la littérature et celles de fabricant de la machine frigorifique, un schéma hydraulique initial a été élaboré pour un SYSMFS. La modélisation de ce schéma est complexe car des simulations et des modifications répétitives ont été nécessaires pour éliminer les problèmes potentiels de convergence de la solution. A partir de cette expérience, une méthodologie de conception assistée par simulation a été élaborée afin d’en profiter pour des modélisations similaires. En tant que telle, le modèle devrait être prêt pour la phase l’optimisation. Une étude paramétrique a été menée sur le modèle SYSMFS ; elle offre les donnés requises pour la comparaison des algorithmes d’optimisation qui sont testés par la suite. Le résultat de cette étude est une surface de réponse qui représente le coût du SYSMFS en fonction de la superficie du panneau solaire et du volume de stockage thermique du ballon solaire. Pour réduire le nombre des simulations requis par une étude paramétrique complète, l’utilisation d’un algorithme d’optimisation est nécessaire. Un algorithme basé sur le plan d’expérience (OptDOE) a été développé et sa performance est comparée avec celles d’un algorithme d’optimisation hybride sur une fonction de référence de Rosenbrock et sur le modèle SYSMFS. Comparé à l’algorithme hybride, OptDOE a montré une bonne performance. Le nombre de simulations est réduit et les valeurs optimales trouvées, par cette méthode, sont porches de celles de l’étude paramétrique L’OptDOE permet également de décrire le comportement du modèle SYSMFS au voisinage de l’optimum avec une fonction coût approximée. Cette information est importante surtout au cas où la fonction coût a la forme d’une vallée. Dans ce cas, des valeurs différentes de l’optimum donnent presque le même coût global. / The introduction of new low capacity absorption chillers opens new prospects for the multifunction multisource solar systems (MFSSYS) which exploit the full potential of the solar energy for heating, cooling and production of domestic hot water (DHW) purposes. The solar combisystems (SCS), which preceded the MFSSYS, lacked an adapted procedure for the sizing of their main components: the solar collector and the solar thermal storage tank. From the point of view of the energy and investment cost, a sizing method based on the peak load may fail if the energy source is not guaranteed to be stable. An optimization of the main components by simulation may be then a key solution for an optimal sizing of the MFSSYS. An initial hydraulic schematic is elaborated for the MFSSYS based on information found in the literature about the SCS and the data made available by the chiller manufacture. The modeling of this schematic is complex as redundant simulation and modification were necessary in order to eliminate the potential problems of solution convergence. From this experience, a method of simulation aided design is elaborated. Parametric runs were carried out on the MFSSYS model. They offer needed information for the comparison of the optimization algorithms which are tested later on. The outcome of these parametric runs is a response surface which represents the cost of the MFSSYS as a function of the solar collector surface area and the volume of the solar thermal storage tank. In order to reduce the number of simulations required by a complete parametric runs method, the use of optimization algorithm become a necessity. An optimization algorithm based on the design of experiments (OptDOE) is developed; its performance is compared with the one of a hybrid optimization algorithm in two cases: a reference function of Rosenbrock and the model of the MFSSYS. Compared to the hybrid optimization algorithm, OptDOE has showed good performance. The number of simulations is reduced and the optimized values, found by this method, are close to those of the parametric runs. The main advantage of OptDOE is to describe the behavior of the cost function in the neighborhood of the optimum. This information is valuable especially when the cost function has a valley-like form, which is the case for the systems we studied. In this case, the cost has approximately the same value for a large variation range of the optimized parameters.