Les phénomènes thermoélectriques sont un moyen de convertir directement l’énergie thermique en énergie électrique ; ils sont à ce titre au cœur de nombreuses recherches dans le domaine de l’énergétique. Au-delà de l’optimisation des matériaux constituants les générateurs thermoélectriques, il est également nécessaire de mener une réflexion sur la manière dont ces générateurs sont utilisés. La contribution des contacts thermiques entre le générateur et les réservoirs thermiques est un facteur qui va modifier les conditions de fonctionnement optimales du générateur. En utilisant la notion de courant thermique convectif, développée par Thomson il y a plus de 150 ans, nous généralisons les expressions classiques du fonctionnement à puissance maximum pour le générateur pour ce cas de figure. Nous constatons toutefois que ces conditions se réduisent à une adaptation d’impédance, à la fois thermique et électrique Outre son intérêt pratique, le générateur thermoélectrique est également un système modèle de choix pour étudier la théorie du transport couplé et des phénomènes irréversibles. En utilisant la description donnée par Ioffe de ce système, nous montrons que l’efficacité à maximum de puissance, un coefficient de performance au cœur de la thermodynamique à temps fini, s’exprime comme une fonction relativement simple des paramètres du système. La nouveauté de ce travail repose sur une prise en compte appropriée des dissipations internes associées au processus de conversion d’énergie. Les résultats sont généralisés enfin aux cas d’autres machines thermiques telle que la roue à rochet de Feynman. / Thermoelectric phenomena are a way to directly convert thermal energy into electrical energy; they thus are at the heart of several researches in the field of energy conversion. The optimization of the thermoelectric generators includes materials improvement but a reflection on their working conditions is also mandatory. The contribution of the thermal contacts between the generator and the heat reservoirs is a factor that will change the optimum operating conditions of the generator. Using the concept of convective heat flow, developed by Thomson more than 150 years ago, we generalize the classical expression of maximum power conditions. Moreover, we note that these conditions may be reduced to impedance matching conditions, both thermal and electrical. In addition to its practical interest, the thermoelectric generator is also an ideal model system to study the theory of coupled transport and of irreversible phenomena. Using the description of this system given by Ioffe, we show that the maximum power efficiency, a coefficient of performance at the heart of finite time thermodynamics, expressed as a simple function of the system parameters. The novelty of this work is based on a proper consideration of internal dissipation associated with the energy conversion process. The results are then generalized to other thermal engines such as the Feynman ratchet.

L'augmentation du prix du pétrole ainsi qu'une possible future réglementation des émissions de CO2 encourage les fabricants de véhicules industriels à trouver de nouvelles solutions pour améliorer encore la performance de la chaine cinématique. Dans ce cadre, deux solutions de récupérations d'énergie prometteuses sont très souvent rapportées dans la littérature: le système de récupération d'énergie par cycle de Rankine et le générateur thermoélectrique. Après un rappel des conditions limites du fonctionnement d'un camion long routier, cette thèse démontre tout d’abord la modélisation 0-D et 1-D (logiciels commerciaux utilisés) de ces deux systèmes de récupération d’énergie. Pour le générateur thermoélectrique, des études paramétriques (hauteur de jambe thermoélectrique, prix, puissance électrique produite) sont effectuées se basant principalement sur l'utilisation de deux matériaux prometteurs. Une conception du système Rankine est présentée et modélisée avec le solveur 1-D. Des validations partielles sont réalisées sur les composants (turbine). Ce modèle a ensuite permis d'étudier les transitoires du système ainsi que la charge en réfrigérant et un système de contrôle possible. Cette étude montre que le générateur thermoélectrique n’est pas encore mature pour son utilisation dans un camion long routier. Le système Rankine doit quant à lui être testé sur un camion prototype pour pouvoir véritablement estimer son potentiel final / Fuel price increase as well as future fuel consumption regulations lead truck manufacturers to further enhance the current powertrain. In such a context, two waste heat recovery technologies appear as promising: the Rankine system as well as the thermoelectric generator. After a reminding of truck boundary conditions, this thesis work defines 0-D and 1-D modeling (commercial tool used) for both systems.For the thermoelectric generator , parametric 1-D studies are done on the integration/design (number of thermoelements, price, electrical power) of a thermoelecric generator upstream the existing engine exhaust gas recirculation cooler. Main studies are done with thermoelectric materials but other materials are also considered. A Rankine system design is presented and modeled under a 1-D solver. Preliminary validations are presented. Transient aspects are evaluated to better understand the behavior of the system and its bottlenecks. The amount of refrigerant in the circuit and the control schematic are also addressed.From these studies, it appears that the thermoelectric generator technology is not yet mature for a long haul truck due to the low performance of thermoelectric materials. The Rankine system technology should handle a complete truck prototype testing to estimate its potential

Une des préoccupations majeures de la recherche dans le domaine de l’énergie est la diminution de la production des gaz à effet de serre et la réduction de notre empreinte écologique. Les générateurs thermoélectriques participent à une démarche globale d’efficacité énergétique en convertissant directement une partie de l’énergie thermique qui les traverse en énergie électrique. Ces derniers sont encore peu utilisés et rares sont les travaux qui traitent de leur optimisation. Ce travail a permis d’explorer les stratégies d’intégration des modules thermoélectriques dans les ensembles définis par les utilisateurs finaux en utilisant une méthodologie basée sur une modélisation complète des systèmes du flux de chaleur à la production électrique. Un code numérique couplant les équations de la thermique, de la thermoélectricité et de l’électricité a été développé et permet d’observer l’influence de plusieurs paramètres sur la production d’électricité (débit et température de la source chaude, débit et température de la source froide, type de modules thermoélectriques, emplacement des modules,…). La validation de ce modèle a nécessité la réalisation et l’instrumentation de plusieurs prototypes expérimentaux dont le plus conséquent est une boucle d’air à haute température alimentant un prototype de générateur thermoélectrique modulable. La conception et la réalisation de convertisseurs électriques dédiés, à recherche du point de fonctionnement maximal (MPPT), a permis de tester ces prototypes au point d’adaptation optimale. Enfin, une méthode d’optimisation appliquée au modèle nous délivre le nombre de modules ainsi que leur emplacement pour une production électrique maximale. Un outil de dimensionnement et d’optimisation de générateurs thermoélectriques est maintenant disponible. Il nous a permis tout d’abord d’étudier la faisabilité d’une production d’électricité en zones isolées au travers d’un prototype de cuisinière à bois thermoélectrique. Puis nous avons analysé la faisabilité dans le domaine de l’automobile en se plaçant à un point de fonctionnement précis correspondant au gaz d’échappement. / A major concern of research in the field of energy is the decrease in the production of greenhouse gas emissions and reducing our ecological footprint. Thermoelectric generators participate in a comprehensive approach to energy efficiency by directly converting a part of the thermal energy that flows through in electricity. This work explore strategies for integrating thermoelectric modules in sets defined by end users using a methodology based on a complete systems modelling from heat flow to power generation. A numerical code coupling equations of heat transfers and thermoelectricity was developed and used to observe the influence of several parameters on the production of electricity (flow and temperature of the hot source, flow and temperature of the cold source, type of thermoelectric modules, module location...). The validation of this model has necessitated the construction and the instrumentation of several experimental prototypes which for the most important is a hot air loop supplying a prototype flexible thermoelectric generator. The design and the realization of dedicated electrical converters to research the maximum operating point (MPPT) was performed to test these prototypes optimal adaptation issue. Finally, an optimization method applied to the model delivers us the number of modules and their location for maximum power production. A tool for design and optimization of thermoelectric generators is now available. It has allowed us to study the feasibility of an integrated thermoelectric generation in a variety of systems such as the automobile using exhaust gas or a specific cook stove for developing countries.

Les phénomènes thermoélectriques sont un moyen de convertir directement l'énergie thermique en énergie électrique ; ils sont à ce titre au cœur de nombreuses recherches dans le domaine de l'énergétique. Au-delà de l'optimisation des matériaux constituants les générateurs thermoélectriques, il est également nécessaire de mener une réflexion sur la manière dont ces générateurs sont utilisés. La contribution des contacts thermiques entre le générateur et les réservoirs thermiques est un facteur qui va modifier les conditions de fonctionnement optimales du générateur. En utilisant la notion de courant thermique convectif, développée par Thomson il y a plus de 150 ans, nous généralisons les expressions classiques du fonctionnement à puissance maximum pour le générateur pour ce cas de figure. Nous constatons toutefois que ces conditions se réduisent à une adaptation d'impédance, à la fois thermique et électrique Outre son intérêt pratique, le générateur thermoélectrique est également un système modèle de choix pour étudier la théorie du transport couplé et des phénomènes irréversibles. En utilisant la description donnée par Ioffe de ce système, nous montrons que l'efficacité à maximum de puissance, un coefficient de performance au cœur de la thermodynamique à temps fini, s'exprime comme une fonction relativement simple des paramètres du système. La nouveauté de ce travail repose sur une prise en compte appropriée des dissipations internes associées au processus de conversion d'énergie. Les résultats sont généralisés enfin aux cas d'autres machines thermiques telle que la roue à rochet de Feynman.

Les générateurs thermoélectriques (TEG), associant des modules thermoélectriques à des échangeurs de chaleur adaptés, permettent de produire de l’électricité à partir d’une source chaude et d’une source froide. Leur utilisation, réservée actuellement à des applications de niche, va s’avérer judicieuse pour différentes applications industrielles ou domestiques en raison de la disponibilité imminente de nouveaux matériaux thermoélectriques permettant des rendements améliorés et des coûts moindres. Pour rendre plus attractive l’utilisation des TEG et améliorer le rendement global des futures installations, une conception et une utilisation optimisées sont indispensables.La conception de TEG performants nécessite le développement de modèles numériques intégrant tous les éléments de la chaîne énergétique (source chaude, source froide, échangeurs, convertisseurs électriques). L’objectif de la thèse est de créer un outil de simulation du fonctionnement des générateurs sur l’ensemble du cycle de production de chaleur et donc sur des fonctionnements réels dépendant du temps. Le modèle développé en 3D pour les transferts de chaleur prend en compte la dépendance à la température des propriétés des matériaux et l’effet Thomson pour le modèle thermoélectrique.La validation de cet outil de simulation a nécessité la comparaison des prédictions du modèle à des résultats expérimentaux. Un dispositif expérimental a été complété et amélioré afin de mieux répondre aux attentes des études en régime instationnaire. Ce banc d'essai permet d'effectuer des tests avec différentes configurations de générateur thermoélectrique et différentes conditions de fonctionnement. Le modèle a montré une estimation correcte des températures du système et de la production électrique du TEG. Le modèle numérique est validé et peut être utilisé pour la prédiction du fonctionnement d’un TEG dans diverses conditions. / Thermoelectric generators (TEG), combine thermoelectric modules with heat exchangers, making it possible to produce electricity from a hot source and a cold source. Their use, which is currently reserved for niche applications, will prove useful for various industrial or domestic applications due to the imminent availability of new thermoelectric materials allowing improved yields and lower costs. To make the use of TEGs more attractive and to improve the overall efficiency of future installations, optimized design and use are essential.The high-performance TEG design requires the development of numerical models integrating all the elements of the energy chain (hot source, cold source, exchangers, electric converters).The aim of the thesis is to create a tool for simulating the operation of generators over the entire heat production cycle and thus on real time-dependent operations. The model developed in 3D for heat transfer takes into account the temperature dependence of the properties of the materials and the Thomson effect for the thermoelectric model.The validation of this simulation tool required the comparison of model predictions with experimental results. An experimental device has been completed and improved to match better the expectations of unsteady studies. This test bench allows testing with different thermoelectric generator configurations and different operating conditions.The model showed a correct estimation of system temperatures and electrical output of TEG. The numerical model is validated and can be used to predict the operation of a TEG under various conditions.

Ces travaux s'inscrivent dans la problématique de l'alimentation autonome de systèmes électroniques communicants fondée sur la récupération de l'énergie disponible dans l'environnement humain. Cette thèse traite du dimensionnement d'un générateur multisource (thermique, photovoltaïque et cinétique) avec stockage d'énergie. Afin d'optimiser le dimensionnement d'un tel système dans un contexte de ressources paramétrables, des modèles génériques, adaptés à une large plage de dimensions, ont été établis, à partir de technologies déjà existantes, et validés expérimentalement. L'approche système a permis d'étudier les nombreux couplages multiphysiques existants et de mieux dimensionner le système. Ainsi, il a été montré qu'optimiser le rendement global de toute la chaîne de conversion d'énergie conduit à des solutions différentes de celles résultant d'une optimisation du dimensionnement de chaque organe pris séparément. Enfin, dans la dernière partie de cette thèse, une étude a été menée sur l'impact du profil de consommation sur le dimensionnement du système. Cette étude a permis, sur le cas particulier d'une application réelle, de mettre en évidence le potentiel d'une gestion d'énergie en cas de ressources faibles notamment par l'adaptation des profils de consommation.

La récupération d'énergie thermique basée sur les générateurs thermoélectriques (TEG) est utilisée dans de nombreuses applications telles que les dispositifs médicaux auto-alimentés. La sûreté de fonctionnement et la continuité de service de ces systèmes sont aujourd'hui des préoccupations majeures. Ainsi, toute défaillance au niveau d'un des interrupteurs commandables de la circuiterie électronique d'interface peut provoquer de graves dysfonctionnements du système. Tout défaut non détecté et non compensé peut mettre en danger l'ensemble du système et interrompt l'alimentation en énergie de la charge. Par conséquent, la mise en œuvre d'une compensation de défaut efficace et rapide est impérative afin d'assurer la continuité de service. Dans ces travaux de recherche, nous étudions la continuité de service d'une interface électronique pour TEG basée sur une conversion à deux étages Buck/Buck-Boost cascadés. Une modélisation électrique générique (modèle de Thévenin) du TEG sous différentes conditions de fonctionnement et prenant en compte l'ensemble des résistances thermiques de contact est tout d'abord présentée. Ensuite, une méthode de compensation de défaut de type circuit-ouvert au niveau de l'interrupteur commandable de l'un des deux convertisseurs DC-DC est également proposée. Nous présentons une topologie originale de convertisseur DC-DC à tolérance de pannes, sans redondance matérielle classique. Cette topologie permet d'assurer la continuité de service du système de récupération d'énergie en mode nominal. Les études théoriques ont été validées par simulation et par des tests expérimentaux / Thermal energy harevsting based on thermoelectric generators is used in many applications such as self-powered medical devices. The reliability and continuity of service of these systems are now major concerns. Furthermore, any failure in the controllable switch of the electronic interface circuitry can cause serious system malfunctions. Any undetected and uncompensated fault can endanger the entire system and interrupt the power supply to the load. Therefore, the implementation of an efficient and rapid fault compensation is imperative in order to ensure the continuity of service. In this research, we study the continuity of service of an electronic interface for TEG, based on a two-stage conversion cascaded Buck/Buck-Boost. A generic electrical modeling of the TEG model under different operating conditions and with taking into account all the thermal contact resistances is first presented. Next, an open-circuit fault compensation method of the controllable switch of one of the two DC-DC converters is also proposed. We present an original fault-tolerant DC-DC converter topology with no conventional hardware redundancy. This topology ensures the continuity of service of the energy recovery system in nominal mode. Theoretical studies were validated by simulation and experimental tests

Ces travaux s'inscrivent dans la problématique de l'alimentation autonome de systèmes électroniques communicants fondée sur la récupération de l'énergie disponible dans l'environnement humain. Cette thèse traite du dimensionnement d'un générateur multisource (thermique, photovoltaïque et cinétique) avec stockage d'énergie. Afin d'optimiser le dimensionnement d'un tel système dans un contexte de ressources paramétrables, des modèles génériques, adaptés à une large plage de dimensions, ont été établis, à partir de technologies déjà existantes, et validés expérimentalement. L'approche système a permis d'étudier les nombreux couplages multiphysiques existants et de mieux dimensionner le système. Ainsi, il a été montré qu'optimiser le rendement global de toute la chaîne de conversion d'énergie conduit à des solutions différentes de celles résultant d'une optimisation du dimensionnement de chaque organe pris séparément. Enfin, dans la dernière partie de cette thèse, une étude a été menée sur l'impact du profil de consommation sur le dimensionnement du système. Cette étude a permis, sur le cas particulier d'une application réelle, de mettre en évidence le potentiel d'une gestion d'énergie en cas de ressources faibles notamment par l'adaptation des profils de consommation. / This work deals with the problematic of self-powered communicating electronic systems based onenergy harvesting in the human environment. This thesis addresses the sizing of a multisource generator(thermal, photovoltaic and kinetic) with energy storage. To optimize the sizing of such a systemin the context of configurable resources, generic models, adapted to a wide range of dimensions, wereestablished from existing technology, and validated experimentally. The system-level approach wasused to study the many existing multiphysics couplings to better size the system. Thus, it was shownthat optimizing the global efficiency of the whole energy conversion chain leads to solutions differentfrom those resulting from sizing optimization of each component separately. Finally, in the latter partof this thesis, a study was conducted on the impact of load profil on the sizing of the system. Thisstudy, on the particular case of a real application, highlight the potential for energy management inthe case of poor ressources, notably by adapting the load profils.